水泵變頻節能技術在供熱運行中的應用

曹劍琦

（太原市熱力公司，山西 太原 030001）

水泵變頻節能技術在供熱運行中的應用

曹劍琦

（太原市熱力公司，山西 太原 030001）

隨著變頻技術的不斷發展和日趨成熟，其在供熱領域的應用也逐漸推廣，該技術的應用能夠有效地降低電能消耗，對供熱企業實際生產運行有著重要的意義。文章介紹了水泵變頻節能技術的工作原理、系統特點、實際應用現狀及使用效果，同時也提出了實際應用中注意的問題。

集中供熱；水泵變頻調速技術；節電量

水泵在工農業生產、公用事業、日常生活中的應用十分廣泛，同時，也是供熱領域必不可少的重要設備之一。傳統的水泵控制系統存在著許多的弊端，因此，研究和改進水泵的控制技術，使其在運行中達到最佳狀態就有著非常重要的意義。

變頻節能技術是水泵控制系統中一種較先進、實用的方式，該技術在節能（節電、節水）、延長泵及官網設備的使用壽命、實現控制自動化等方面有著明顯的技術效果和經濟效果。

1 變頻節能技術的工作原理

1.1 水泵控制的相關理論

水泵的工作點，即實際運行的工況點，是泵的性能曲線和管網特性曲線的交點。在實際生產運行中，為適應用戶的需要和經濟運行的要求，泵的運行工況是隨時變化的，它應與管網實際流量、壓力、溫度等參數的變化相匹配。因此，改變泵的實際工作點，應從改變泵的性能曲線或管網特性曲線這兩個途徑入手。

（1）改變管網特性曲線。最常用的方法是節流法，即閥門調節法。此法利用開大或關小泵的出口閥門開度，從而改變管網的阻力系數，使管網特性曲線發生改變。

（2）改變泵的性能曲線。在水泵選型一定的情況下，只有通過改變泵的轉速，才能使泵的性能曲線升高或降低，進而改變該曲線與管網特性曲線的交叉點。

1.2 水泵變頻調速技術的節能原理

變頻調速技術是將交流電源變成電壓和頻率可調的電源輸出給電機，使電機在額定轉速范圍內實現無級可調變速。變頻調速技術可使電機獲得平穩的啟動效果，還可根據負載的輕重使電機獲得最高達2倍的啟動轉矩。

根據流體力學和泵的相似原理，當泵的實際運行轉速n與額定轉速nm不同時，泵的性能參數可簡化為：

泵的功率：P=（γ×Q×H）/η

流量與轉速的關系：Q/Qm=n/nm

揚程與轉速的關系：H/Hm=（n/nm）2

功率與轉速的關系：P/Pm=（n/nm）3

由以上關系式可知，水泵電機的輸出功率近似正比于轉速的立方。例如：當轉速下降為額定轉速的80%時，電機輸出功率僅為額定轉速時的51.2%，可見節電率很高。

泵與管網的性能曲線見圖1。

圖中：R：管網在此阻力系數下的特性曲線，且R1>R2；

圖1 泵與管網的性能曲線圖

由圖1可知，當水泵在n1轉速下、管網阻力系數為R1時，泵的工作點在A1，流量為Qa，電機所做的功為A1-H2-0-Qa所圍成的面積。若將流量由Qa減小到Qb時，可通過兩條途徑達到：一是采用閥門節流控制，電機轉速不變，泵的工作點由A1點移到B1點，此時管網阻力為R2，電機所做的功為B1-H3-0-Qb所圍的面積；二是采用變頻調速方案，管道阻力系數不變，電機轉速下降至n2，則工作點由A1移到了A2點，電動機所做的功為A2-H1-0-Qb所圍的面積。比較兩種方案可知，后者電機所做的功遠遠小于前者；H3-H1是采用閥門節流控制與采用變頻調速控制相比較所損失的揚程。

2 變頻調速控制系統在供熱運行中的應用

以太原市熱力公司為例，其將水泵的變頻控制技術廣泛應用于二次管網的循環水泵上。由于設計選型和實際運行狀態改變等因素，需要對泵進行調節和控制，以達到節能降耗的目的。

2.1 二次管網循環水泵的運行狀況

通常，循環泵在實際工作中無法在合理的工作區間運行，主要有以下3方面原因：首先，考慮到在運行中一些不可預見的因素，為了提高安全系數，泵的選型往往都偏大，這就產生了較大的功率富裕量；其次，考慮到供熱面積的發展情況與管網、熱力站初建時的一次性投資之間的平衡關系，熱力站建站時的水泵一般是按未來幾年擴網后的負荷量來選型的；第三，泵在設計選型時，是按照所有用戶最大熱負荷計算的，而實際熱負荷要小于選型熱負荷，而使流量富裕量增大。因此，工作人員通過節流循環泵出口閥門的方法加以調節和控制，使泵的實際工作點盡可能在合理的工作區間內，但卻使90%以上的功率富裕量全部消耗在閥門上，造成了水泵能源消耗的主要原因。

除此之外，在整個采暖季運行中，由于初寒期、嚴寒期、末寒期的室外溫度差異很大，因而各熱力站實際熱負荷也隨時間變化而變化，循環水泵若始終采用公頻運轉，勢必在初寒期和末寒期造成“大馬拉小車”的狀況，造成能源浪費。

2.2 變頻節能技術改造應用實例

從2005年開始，太原市熱力公司開始分批次對熱力站進行循環泵變頻改造。在實施此項技術改造之前做了大量的基礎數據的收集整理工作，并依據第一手的現場數據作了理論計算和周密的可行性研究，基本確定按現有狀況，改造投資成本可在1～3個采暖季收回。

例如：太原市熱力公司2242材料庫熱力站設計負荷10×104m2，實際負荷7.35×104m2，負荷比為73.5%。設有3臺55 kW循環泵，其中2臺投入使用，1臺備用，循環泵出口閥門開度不足50%，運行中循環泵出口端與換熱器進水端壓差為22 m。

進行理論計算后得出，在加裝2臺55 kW變頻器后，動力用電量為加裝前的63%，每采暖季節約電量約80 452度，折合人民幣52 294元，約1.2個采暖季就可收回投資成本。

對變頻改造后的熱力站用電量進行跟蹤統計，從統計結果看取得了預期的效果。各改造熱力站節電量平均在35%以上，基本上3個采暖季內便可收回全部投資成本，其中，效益最好的熱力站不到1個采暖季即可收回投資成本。改造后，單位耗電量從2.38度/m2.a降至目前的2.01度/m2.a，按照1千萬供熱面積、每度電0.52元計算，公司每年可節約電費192.4萬元。

2008年增設變頻器熱力站用電量對照表，見表1。

3 應用變頻調速技術時應注意的問題

（1）變頻技術僅僅是降低用電量的手段和方法，它本身不能降低用電量，而是需要生產運行人員在運行中科學管理，加強管網水力平衡調節以及初寒期、嚴寒期、末寒期的運行調節，從而真正起到節能降耗的效果。

表1 2008年度熱力站變頻改造用電量對照表

（2）變頻器工作時，工作頻率不得小于15 Hz，否則會對變頻器的使用壽命造成影響。

（3）變頻器長時間存放時，需保證一個月通電一次，通電時間不得少于5 h，輸入電壓要緩慢升至額定值。同時，存放環境應干燥通風，避免潮濕，否則可導致變頻器電解電容的損壞。

變頻調速控制技術經過多年來的實踐考驗和技術的不斷改進，已經成為一項較成熟的節能技術，雖然需要一定的一次性投資，但技術改造后產生的節能和經濟效果非常明顯。所以，隨著相關配套技術和設施、設備的完善和發展，水泵變頻調速控制技術必將在集中供熱系統運行中得到更為廣泛的應用。

[1] 王寒棟.泵與風機.北京.機械工業出版社，2009.1.

[2] 李善華.實用集中供熱手冊.中國電力出版社，2010.9.

[3] 趙慶利.供熱系統調試與運行，中國建筑工業出版社，2001.12.

[4] 蔣志良.供熱工程.北京:中國建筑工業出版社，2005.1.

W ater Pump Frequency Conversion Energy Conservation Technology in Heating M ovement Application

Cao Jianqi

Develops unceasingly along with the frequency conversion technology and day by day mature，it also gradually promotes in the heating domain’s application，this technology’s application can reduce the electrical energy consumption effectively，has the vital significance to the heating enter prise actual production movement.This article introduced the water pump frequency conversion energy conservation technology’s principle of work，the system characteristic，the practical application present situation and the use effect，simultaneously also proposed in the practical application pays attention question.

central heat supply；water pump frequency conversion velocity modulation technology；the electricity saving measures

TU991.35

A

1000-8136(2011)08-0021-02