劉錫三 楊衛(wèi)肖

（1天津市供熱工程建設(shè)有限公司 天津 300050 2天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院 天津 300061）

1 水泵變頻調(diào)速方式

為了充分發(fā)掘計(jì)量供熱系統(tǒng)的節(jié)能潛力，不僅應(yīng)重視計(jì)量供熱系統(tǒng)帶來的熱源供熱量的減少，還應(yīng)重視熱網(wǎng)輸送能耗的降低。這就要求輸配系統(tǒng)具備變流量的調(diào)控措施，水泵變頻調(diào)速成為不可或缺的控制手段。

水泵的變頻調(diào)速方式主要有以下三種：

（1）控制熱力站進(jìn)出口壓差恒定（近端定壓差控制），該方式簡(jiǎn)便可行，但流量調(diào)節(jié)幅度相對(duì)較小，節(jié)能潛力有限；

（2）控制管網(wǎng)最不利環(huán)路壓差恒定（遠(yuǎn)端定壓差控制），該方式流量調(diào)節(jié)幅度相對(duì)較大，節(jié)能效果明顯，但隨著運(yùn)行調(diào)節(jié)會(huì)出現(xiàn)最不利用戶的漂移，有可能造成某些用戶資用壓差不足的問題；

（3）控制回水溫度，這種方式響應(yīng)較慢，滯后較長(zhǎng)，節(jié)能效果相對(duì)較差。

鑒于控制回水溫度響應(yīng)較慢，而遠(yuǎn)端定壓差控制在運(yùn)行調(diào)節(jié)中有可能出現(xiàn)某些用戶資用壓差不足的現(xiàn)象，目前計(jì)量供熱系統(tǒng)的水泵變頻調(diào)速普遍采用近端定壓差控制。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，實(shí)際運(yùn)行管理中很多操作人員習(xí)慣采用手動(dòng)變頻的方式。因此計(jì)量供熱系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，水泵的變頻方式主要采用如下兩種：一是通過控制熱力站進(jìn)出口壓差恒定（近端定壓差）進(jìn)行變頻調(diào)速；二是根據(jù)室外溫度的變化特點(diǎn)，采用分階段手動(dòng)變頻的控制策略。

2 不同變頻調(diào)速方式的水泵實(shí)際電耗比較

為了對(duì)比分析近端定壓差控制和分階段手動(dòng)變頻控制對(duì)水泵輸配能耗的影響，統(tǒng)計(jì)了天津市33個(gè)換熱站2012～2013年供暖季二次網(wǎng)水泵電耗，其中采用近端定壓差控制的換熱站18個(gè)，采用分階段手動(dòng)變頻控制的換熱站15個(gè)，對(duì)比結(jié)果如表1。

表1 不同變頻調(diào)速方式比較

如以平均單位面積年耗電量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，近端定壓差變頻調(diào)速控制與分階段手動(dòng)變頻調(diào)節(jié)相比，可節(jié)電12.73%；為了消除建筑物耗熱量差異對(duì)水泵輸配能耗的影響，采用平均單位供熱量的耗電量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，近端定壓差變頻調(diào)速控制與分階段手動(dòng)變頻調(diào)節(jié)相比，可節(jié)電6.25%。

分析結(jié)果表明：目前普遍采用的近端定壓差控制，即控制熱源或熱力站進(jìn)出口壓差恒定的方式進(jìn)行水泵變頻調(diào)速，雖然簡(jiǎn)便易行，但是節(jié)能潛力相對(duì)較小。

采用近端定壓差控制方式時(shí)，定壓差值為設(shè)計(jì)揚(yáng)程值與熱源或熱力站內(nèi)阻力的差值，如忽略熱源或熱力站內(nèi)阻力隨流量的變化，則水泵揚(yáng)程始終為設(shè)計(jì)揚(yáng)程值，其控制曲線近似為一條水平直線，如圖1中L1所示，A為設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。當(dāng)用戶調(diào)節(jié)造成管網(wǎng)流量減小為G’時(shí)，管網(wǎng)特性曲線由S1變?yōu)镾1’，采用近端定壓差控制時(shí)，按照控制曲線L1，水泵工作點(diǎn)將從A點(diǎn)移至D點(diǎn)，水泵的轉(zhuǎn)速降低，性能曲線變?yōu)閚1，揚(yáng)程等于設(shè)計(jì)揚(yáng)程H0。系統(tǒng)循環(huán)流量減少，但是近端定壓差控制時(shí)水泵揚(yáng)程基本維持不變，根據(jù)水泵能耗=流量×水泵壓頭/效率，再考慮到非額定工況下水泵運(yùn)行效率有可能降低，則水泵能耗降低并不顯著。

對(duì)于遠(yuǎn)端定壓差控制方式，定壓差控制點(diǎn)位于最不利環(huán)路用戶熱力入口處，水泵的揚(yáng)程等于水泵與定壓差點(diǎn)之間干管管路壓降與遠(yuǎn)端用戶定壓差值之和。干管的阻力數(shù)通常是不發(fā)生變化的，控制曲線如圖1中L2所示，h為遠(yuǎn)端用戶定壓差值。對(duì)于遠(yuǎn)端定壓差控制，按照控制曲線L2，當(dāng)系統(tǒng)所需流量由G減小到G’后，水泵工作點(diǎn)將從A點(diǎn)移至C點(diǎn)，水泵的轉(zhuǎn)速降低，水泵性能曲線變?yōu)閚2，揚(yáng)程為H2，小于設(shè)計(jì)揚(yáng)程值H。

從上述分析可以看出，遠(yuǎn)端定壓差控制方式的節(jié)能性要優(yōu)于近端定壓差控制方式。

圖1 不同控制方式下水泵節(jié)能性分析示意圖

3 不同變頻調(diào)速方式的理論水泵電耗分析

鑒于目前采用遠(yuǎn)端定壓差控制進(jìn)行水泵變頻調(diào)速的案例極少，缺少實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，因此，本文采用理論方法對(duì)不同供熱調(diào)節(jié)方案下遠(yuǎn)端定壓差和近端定壓差控制的水泵電耗進(jìn)行分析計(jì)算。

3.1 水泵能耗計(jì)算原理

水泵的輸入功率為：

式中：γ—被輸送液體的容重，N/m3；

G—系統(tǒng)循環(huán)流量，m3/h；

H—水泵的揚(yáng)程，mH2O；

η—泵的全效率，%。

對(duì)于變頻水泵，水泵的揚(yáng)程隨水泵流量比的變化而變化，且兩者之間的關(guān)系可以用函數(shù)關(guān)系式表示。當(dāng)水泵變頻調(diào)速采用近端定壓差控制時(shí)，水泵的揚(yáng)程等于定壓差值與換熱站內(nèi)壓降之和，可用式（2）表示。

式中：H——水泵揚(yáng)程，m3/h；

H0——近端定壓差值，mH2O；

h1——換熱站內(nèi)壓降，mH2O；

G——二次網(wǎng)循環(huán)流量，m3/h；

G0——二次網(wǎng)設(shè)計(jì)流量，m3/h。

采用遠(yuǎn)端定壓差方式控制水泵變頻調(diào)速時(shí)，水泵的揚(yáng)程等于遠(yuǎn)端定壓差值、管路壓降與換熱站內(nèi)壓降之和,可用式（3）表示。

式中：h——遠(yuǎn)端定壓差值，mH2O

h2——管路壓降，mH2O

根據(jù)公式（1），水泵的輸入功率除了受流量和揚(yáng)程影響外，還受到水泵運(yùn)行效率的影響，根據(jù)某品牌變頻水泵η-G曲線擬合出 η-的函數(shù)關(guān)系式，用公式（4）表示。

3.2 計(jì)算實(shí)例

以天津開發(fā)區(qū)某小區(qū)供熱系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷作為依據(jù)，比較二次網(wǎng)循環(huán)水泵不同運(yùn)行方式下的能耗情況。

該小區(qū)共有8棟樓，建筑面積約7萬平方米，小區(qū)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為4.58MW，二次側(cè)的設(shè)計(jì)供、回水溫度為85/60℃，供暖設(shè)計(jì)室外計(jì)算溫度為-8℃，設(shè)計(jì)室內(nèi)溫度為20℃，供暖期為11月1日至次年的4月1日。換熱站配置的循環(huán)水泵設(shè)計(jì)流量為190m3/h。換熱站內(nèi)設(shè)備的設(shè)計(jì)總阻力為7.14mH2O，供回水干管的設(shè)計(jì)阻力為7.65 mH2O，最不利用戶的設(shè)計(jì)阻力5 mH2O。

計(jì)量供熱系統(tǒng)普遍采用氣候補(bǔ)償和變流量相結(jié)合的運(yùn)行調(diào)節(jié)方式。

本算例采用的氣候補(bǔ)償方式包括3種：

（1）根據(jù)室外溫度變化規(guī)律改變供水溫度的質(zhì)調(diào)節(jié)；

（2）分階段改變水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)的質(zhì)調(diào)節(jié)；

（3）分階段改變供水溫度的調(diào)節(jié)方式，即，在供熱系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行期間，隨著室外溫度的提高，分幾個(gè)階段改變供水溫度，在同一調(diào)節(jié)階段內(nèi)，供水溫度保持不變。

在上述三種氣候補(bǔ)償方式下，分別針對(duì)近端定壓差和遠(yuǎn)端定壓差控制水泵變頻調(diào)速的變流量方式，進(jìn)行了水泵電耗的對(duì)比計(jì)算。具體計(jì)算數(shù)據(jù)見表2。

表2 二次網(wǎng)循環(huán)水泵單位面積能耗（kWh（/m·2a））

從表2可以看出，在同一定壓差方式下，分階段定供水溫度的調(diào)節(jié)方式下循環(huán)水泵的能耗最低，分階段改變水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)的質(zhì)調(diào)節(jié)次之，而質(zhì)調(diào)節(jié)的能耗最高。分階段定供水溫度調(diào)節(jié)方式能夠使系統(tǒng)在較高的供水溫度下運(yùn)行，減少了系統(tǒng)的循環(huán)流量，利用水泵的變頻調(diào)速能夠有效地降低系統(tǒng)輸配能耗。與目前普遍采用的“大流量、小溫差”運(yùn)行模式相比，分階段定供水溫度調(diào)節(jié)方式以“小流量、大溫差”的運(yùn)行模式有效地減小了循環(huán)水泵能耗，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

在近端定壓差控制方式下，相比于質(zhì)調(diào)節(jié)方式下循環(huán)水泵的能耗，分階段定供水溫度調(diào)節(jié)方式的節(jié)能率為30.62%，分階段改變水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)的質(zhì)調(diào)節(jié)方式節(jié)能率為14.34%。在遠(yuǎn)端定壓差方式下，節(jié)能率分別為48.54%和19.88%。

相比于目前普遍采用的近端定壓差的水泵變頻調(diào)速控制方式，遠(yuǎn)端定壓差的節(jié)能效果顯著，三種不同氣候補(bǔ)償方式下的節(jié)能率均在30%以上，尤以分階段定供水溫度調(diào)節(jié)方式下的節(jié)能率最大，達(dá)到50.84%。

根據(jù)上述分析，可以得出，在保證系統(tǒng)水力平衡的前提下，采用分階段定供水溫度的氣候補(bǔ)償方式與水泵的遠(yuǎn)端定壓差變頻調(diào)速控制的變流量相結(jié)合，具有較大的節(jié)能潛力。