空調系統冷凍水循環(huán)水泵變頻運行的節能機理

第23卷,總第130期《節能技術(shù)》Vol.23 , Sum. No.1302005年3月,第2期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYMar. 2005,No.2空調系統冷凍水循環(huán)水泵變頻運行的節能機理黃建恩(中國礦業(yè)大學(xué)建筑環(huán)境與設備工程系,江蘇徐州221008)嘀要:本文通過(guò)分析空調系統冷凍水循環(huán)水泵變頻運行比較閥門(mén)節流調節運行的節能機理,通過(guò)計算分析指出變頻調速比較閥門(mén)調速的節能潛力并不與流量的三次方成比例,而是與流量成.一復雜的函數關(guān)系。文中給出了正確的計算方法,并由此得出了一些對實(shí)際工作具有指導意義的結論。關(guān)鍵詞:循環(huán)水泵;變頻;節能潛力;計算方法中圖分類(lèi)號:TU831 :TM921.51文獻標識碼:A文章編號:1002 - 6339 (2005) 02 - 0139 -04Mechanism of Energy Conservation of Variable Frequency CirculatingPumps Operated in Air Conditioning Chilled - water SystemHUANG Jian - en(Department of Building Environment and Facility Engineering, China Universityof Mining Engineering, Xuzhou, Xvzhou 221008, China)Abstract: The paper analyses the mechanism of energy conservation of variable frequency circulating pumps op-erated in Air Conditioning Chilled - water System in comparison with controlling water flow by valve. By analyz-ing and calculating, the paper points out that the potential of energy conservation is not proportion to the thirdpower of water flow, but is a complex function of water flow and provides a correct method to calculate the po-tential of energy conservation. From the method we can conclude some useful conclusion in practice.Key words: circulating pump; variable frequency; potential of energy conservation; calculating method應,避免出現室溫過(guò)高或過(guò)低?？照{系統的集中調1引言節一般在冷源處進(jìn)行,常用的調節方法有改變冷凍在空調系統的運行過(guò)程中,由于用戶(hù)的冷負荷水的供回水溫度或改變冷凍水的循環(huán)水量。隨室外環(huán)境的變化而變化,在整個(gè)空調季節的大部當用戶(hù)冷負荷變化需要改變冷凍水循環(huán)水量分時(shí)間,用戶(hù)冷負荷都偏離設計狀態(tài)。為保證空調時(shí),傳統的流量調節方法是通過(guò)改變循環(huán)水泵出口質(zhì)量,必須根據室外氣象條件的變化對空調系統的閥廣中國煤化工方法因節流的不可逆冷凍水供回水溫度和循環(huán)水量進(jìn)行調節,使用戶(hù)末性會(huì )Hc N M H G統運行的經(jīng)濟性變差。端空調設備放出的冷量與用戶(hù)冷負荷的變化相適比較科學(xué)的做法是采用水泉的調速技術(shù),特別是變頻調速技術(shù),這樣可以減少電能的消耗,提高系統運收稿日期2005-02-26 修訂稿日期 2005-03- 14行的經(jīng)濟性。但究竟采用變頻調速后能夠節約多少作者筒介方建墨(1970~ ).男,講師,碩士在讀。能量,傳統的想法是:由于水泵的軸功率隨流量的三次方遞減,節能潛力也隨流量的三次方變化。如:當小到9o2,揚程增大到H2;當采用變頻調速運行時(shí),流量減小為額定流量的60%時(shí),水泵消耗的能量?jì)H保持閥門(mén)的開(kāi)度不變,也就是管路的水力特性曲線(xiàn)為原來(lái)的21.6%,節能潛力高達78.4% ,本文通過(guò)不變,通過(guò)改變水泵的轉速達到調節流量的目的。根分析循環(huán)水泵變頻調速運行的節能機理,經(jīng)計算認據水泵的相似理論,水泵的H- q。性能曲線(xiàn)將平行為這是一-種錯誤的觀(guān)點(diǎn),并給出了節能潛力的計算下移到曲線(xiàn)n2, n2和設計工況時(shí)的管路特性曲線(xiàn)R公式,通過(guò)該公式可以得出一些對實(shí)際工作具有指的交點(diǎn)3為調速調節時(shí)水泵的工況點(diǎn),相應的流量導意義的結論。和水泵的揚程分別為qo2和H3。2水泵變頻調速運行的節能機理HR2變頻調速運行之所以節能是由于水泵的機械負RI載特性決定的。水泵的負載轉矩與轉速的平方成正比,軸功率與轉速的三次方成比例。而流量與轉速成正比，因此，當調節流量時(shí)可以通過(guò)調節轉速來(lái)進(jìn)行。由電磁學(xué)原理三相異步電動(dòng)機的轉速與供電電|n源的頻率有如下關(guān)系:n = 60f(1- s)/p9.2 9rqτ"式中n-電機的轉速, r/min;圖1水泵閥門(mén)調節 和變頻調節時(shí)工況點(diǎn)的確定f- -一供電電源的頻率,Hz;Fig 1. Determination of working points of eirculating pumpr 異步電動(dòng)機的轉差率;controlled by variable frequency and by valvep一一電動(dòng)機的磁極對數。所以，可以通過(guò)改變供電頻率來(lái)改變電動(dòng)機的轉速,3.2各工況點(diǎn) 下水泵電機所需的輸入功率進(jìn)而達到調節流量的目的。由于水泵的軸功率與轉3.2.1工況點(diǎn)1水泵電機所需的輸入功率Ps1 = Pg9o1 H/1000711 72713速的三次方成比例,當轉速減小時(shí)水泵所需的軸功液體的密度, kg/m2;率大大減小，節能效益十分顯著(zhù)。但究竟采用變頻調重力加速度,m/?;速比水泵的工頻運行節省多少電能，下面將對這一7o1T-工況點(diǎn) 1水泵的流量, m//s;問(wèn)題進(jìn)行分析。H一-工況點(diǎn) 1水泵的揚程,m; .3水泵變頻運行比工頻運行節省電能的計:工況點(diǎn)1水泵電機的輸人功率，算kW;3.1水泵閥門(mén)調節和變頻運行時(shí)工況 點(diǎn)的確定11.72.713--分別為工況點(diǎn) 1水泵效率、水泵運行時(shí)的工況點(diǎn)由水泵的H- q。性能曲線(xiàn)水泵與電機的傳動(dòng)效率、電機效率。和管路水力特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)決定。如圖1所示:n為3.2.2.工況點(diǎn)2水泵電機所需的輸入功率額定轉速時(shí)水泵的H - q,性能曲線(xiàn),R為設計工況Ph2 = pg9n2H2/1000721 72723時(shí)的管路特性曲線(xiàn), n2為轉速調節后的水泵H- q。= pgqo2H3/1000 + pgqo2(H2- H3)/1000 +性能曲線(xiàn),R2為采用閥門(mén)調節時(shí)非設計工況下的管pgqo2H2[1/( 721 72723) - 1]/1000路特性曲線(xiàn)(用戶(hù)冷負荷減小相應流量需要減小)。式中qo2一工況點(diǎn) 2水泵的流量,m'/s; .額定轉速時(shí)的H- q。 性能曲線(xiàn)n|和設計工況時(shí)的H2-- 工況點(diǎn)2水泵的揚程,m;管路特性曲線(xiàn)R;的交點(diǎn)1為設計工況下水泵的工中國煤化工的揚程,m; .況點(diǎn),這時(shí)相應的流量和水泵的揚程分別為qo1 和MYHCN MH C泵電機的輸人功率，H。當需要將水泵的流量減小到qo2 時(shí),若采用閥門(mén)調節就需要將水泵出口的閥門(mén)關(guān)小，從而引起管路721.72、72--分別為工況點(diǎn) 2水泵效率、的總阻力特性系數增大,管路特性曲線(xiàn)變陡,使水泵水泵與電機的傳動(dòng)效率、電機效率;的工作狀奇點(diǎn)故據點(diǎn)沿曲線(xiàn)n變化到2點(diǎn),流量減pg9n2Hs/1000--有用功率 ,kW; .●140●pgqn2(H2- H3)/1000閥門(mén)節流損失的OP = Pu2- Ph3功率,kW;= pgqo2(H2- Hz)/1000 +pgqn2H2[ 72172723) - 1]/1000--工況點(diǎn)2(pg02/1000) {H2[1/(7212723)-1] -水泵電機裝置損失的功率, kW。H3([1/7312733)- 1]}可見(jiàn),工況點(diǎn)2水泵電機所需的輸人功率由三由該式可以看出采用變頻調速所節省的能量由部分組成:有用功率pgq,2H3/1000;閥門(mén)節流損失的兩部分組成:第一部分 閥門(mén)節流調節比變頻調速調功率pgqo2(H2 - H3)/1000;水泵電機裝置損失的功節損失的功率pgq,2(H2 - H3)/1000; 第二部分兩種率pgqo2H2[1/( 721 723) - 1]1000調節工況下水泵電機裝置損失的功率的差值,即3.2.3工況點(diǎn)3水泵 電機所需的輸入功率(pgqo2/1000){H2[1/( 721727z}) - 1]-Psh3 = Pgqo2Hz/1000731 72 733H3[1/731727233)- 1]}。= pgqo2H3/1000 +4水泵變頻調速的節能潛力pgqo2H3/1000[1/(73172733) - 1]式中工況點(diǎn)3水泵的流量, m2/s;水泵變頻調速相對于閥門(mén)節流調節的節能潛力H;工況點(diǎn)3水泵的揚程,m;可以采用水泵變頻調速調節比閥門(mén)調節可節省的電Ph3-工況點(diǎn)3水泵電機的輸入功率,能OP和水泵采用閥門(mén)調節所需電機輸人功率Ph2kW;的比值來(lái)表示。但采用這種方法由于Pon2 隨調節流731、72、733分別為工況點(diǎn)3水泵效率、量的變化而變化，,不夠直觀(guān)。為使結果更直觀(guān)，采用節省的電能OP與設計工況下所需電機輸人功率水泵與電機的傳動(dòng)效率、電機效率;pgqo2H3/1000[1/( 73172733) - 1]---工況 .Pn1的比值來(lái)表示節能的潛力,由于水泵在設計工點(diǎn)3水泵電機裝置損失的功率, kW。況下運行消耗的功率為定值(已知),這樣使節能潛. 3.3 水泵變頻調節比閥門(mén)調節節省的電能OP力的計算更具有實(shí)用性和可比性。水泵變頻調節比閥門(mén)調節可節省的電能OP:OP = OP/Psh1eg.2(Hz- H) + 0pg9.2| H2[1/272723) -1]- Hs[1/( 73173)二1業(yè)(1)pgqn1H/( 7u 7713)OP-一表示節能潛力,用占設計工況下所_9o2(40+ a1902 + a292) - S192 .(3)需電機輸人功率Pm1的比值來(lái)表示。.S1q31因水泵的H - q。性能曲線(xiàn)為拋物線(xiàn)形,工程分S-設計工況下管路的水力特性系數,析時(shí)可用一個(gè)二次多項式表示,設:m. (m2/s)-2。H = ao+ a190+ a2q;(2)從公式(3)可以看出:變頻調速運行比較閥門(mén)其中H為水泵的揚程,m;q,為水泵的流量,節流調節時(shí)的節能潛力為流量的復雜函數,并不與m2/s;ao、a1.a2為與水泵有關(guān)的常數,對確定的泵流量的三次方成比例。由于循環(huán)水泵一般選用H -其值為已知數。運用(2)式和阻力平方區(空調系統q。性能曲線(xiàn)較平緩的水泵,在工頻運行的條件下，運行時(shí)一般均處于阻力平方區)管路的阻力損失和流量減小時(shí)泵的揚程增加較小,為便于分析設H2≈管路特性曲線(xiàn)、流量的關(guān)系式OH = Sq,其中OHH = Sq,則(3)式進(jìn)一 步化簡(jiǎn)為:為管路的阻力損失,S為管路特性系數,q。為流量,中國煤化工同時(shí)假設在調節過(guò)程中水泵和電機的效率不變(實(shí)YHCNMHG際上由于流量的減小可能會(huì )有不同程度的下降),則902S1q元- S192(1)式化簡(jiǎn)為:S1q21OP =pgq.2H2 - PBqo2H3102_ 92.= 9o-η(4)數據Pg9o1Hq01q3，141.其中g(shù)。- 表示相對流量,q = 9qo2/q01o水力失調現象將會(huì )加劇。因此,即使采用變頻調節對將公式(4)兩邊對。求--階導數,并令其等于空調冷卻水的最小循環(huán)流量也要加以限制。綜合節零,可求出△P在g。= 0.577時(shí)有一極大值,這時(shí)sP能潛力最大時(shí)的相對流量g。= 0.577和系統運行的= 38.49%。實(shí)際情況,特別是應保持運行過(guò)程中的水力工況穩定,建議在實(shí)際調節過(guò)程中g(shù)。 取0.6 ~ 1。0.45結論(1)變頻調速比閥門(mén)調速具有明顯的節能效益,最大節能潛力高達38. 49% (理論計算值,實(shí)際上口0.2-會(huì )有所減小),在實(shí)際工作中應積極推廣使用。(2)變頻調速比較閥門(mén)調速的節能潛力為流量的函數OP = g。一站,并不與流量的三次方成比例。00.5節能潛力在q。= 0.577時(shí)達到最大。為保持系統的相對流量最佳調節工況在調節過(guò)程中建議g。取0.6 ~ 1。圖2節能潛力曲線(xiàn)(3)由于節能潛力存在極大值,在選用循環(huán)水Fig 2. The curve of the potential of energy conservation泵時(shí)應認真進(jìn)行水力計算,以便正確的選擇循環(huán)水將公式(4)表示的節能潛力繪成曲線(xiàn)得圖2。從泵,保證系統運行的經(jīng)濟性。圖中明顯看出,節能潛力隨相對流量的變化,節能潛參考文獻.力隨流量的減小先增大,達到極大值后,再進(jìn)-步減[1]盛昌達,張國權,趙家禮等.異步電動(dòng)機運行節能小流量,節能潛力反而減小。這說(shuō)明流量很小時(shí)變頻[M] .北京:水利電力出版社, 1989.運行和閥門(mén)節流調節運行的能耗趨于- -致。[2]杜金城.電氣變頻調速設計技術(shù)[M].北京:中國電實(shí)際上,用變頻器傳動(dòng)電機與電機的工頻運行力出版社,2001.相比,電動(dòng)機的功率因數、效率都將不同程度的降[3]趙榮義,范存養,薛殿華.空氣調節(第三版)[M].北低,這是由變頻器輸出的高次諧波分量引起的不良京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.影響。而且,變頻器本身也要消耗- -定的功率。加之，[4]王松嶺,安連鎖.流體力學(xué)及泵與風(fēng)機(第二版)流量很小時(shí)水泵的效率會(huì )急劇下降,空調水系統的[M].北京:中國電力出版社,2000.(上接第128頁(yè))(5)調節、觸發(fā)電路:產(chǎn)生一個(gè)保持定子電壓與4結論電流相位差為30的定子電壓觸發(fā)脈沖。通過(guò)對電機在輕載時(shí)運行機理的分析,建立了(6)交流調壓電路:采用交流調壓器,產(chǎn)生-一個(gè)電機節能的數學(xué)模型，得出了電機功率因數與轉差適合負載的定子電壓。率以及與定子端電壓的函數關(guān)系,得出異步電動(dòng)機(7)給定定子電壓與電流相位差為30°所對應的運行于空(輕)載時(shí)通過(guò)降低定子端電壓可以提高電電壓。動(dòng)機的功率因數結論，并以此為依據設計- -降壓節能可行方案。整個(gè)系統的控制過(guò)程大體如下:參考文獻電動(dòng)機兩端的電壓和勵磁電流經(jīng)過(guò)電壓檢測電路和電流檢測電路將幅值降低,然后,通過(guò)電壓相位[1]湯蘊,史乃等.電機學(xué)(M].西安:西安交通大學(xué)出版檢測電路和電流相位檢測電路將電壓和電流信號變社, 1993.中國煤化工M].北京:高等教育出版成了脈沖波形信號,再通過(guò)邏輯電路的整定就得到社,20MHCNMHG了相位角φ的檢測量,然后經(jīng)過(guò)低通濾波器得到與[3]石生主編.電路基本分析[M].北京:高等教育出版給定的基準電壓形式- - 致的模擬量,通過(guò)調節觸發(fā)社,2000.電路輸出觸發(fā)脈沖作用于交流調壓器即得到與電動(dòng)[4]鄧星鐘等.機電傳動(dòng)控制[M].武漢:華中理工大學(xué)機所帶動(dòng)的負載相適應的端電壓。出版社, 1998.4.