水泵变频运行的节能机理及节能的计算

摘要：　本文通过分析供热系统循环水泵变频调速运行比阀门节流调节运行的节能机理，通过计算分析指出变频调速比阀门调速的节能潜力并不与流量的三次方成比例，而是与流量成一复杂的函数关系。文中给出了正确的计算方法，并由此得出了一些对实际工作具有指导意义的结论。
　0、引言
　　在热水供热系统的运行过程中，由于热用户的热负荷随室外环境的变化而变化，在整个供暖季节的大部分时间，用户热负荷都偏离设计状态。为保证供热质量，必须根据室外气象条件的变化对供热系统的供水温度和循环水量进行调节，使用户散热设备的散热量与用户热负荷的变化相适应，避免出现室温过高或过低。供热系统的调节一般在热源处(或热力站)进行，称之为集中供热调节。常用的调节方法有:
　　质调节——改变热网的供水温度;
　　量调节——改变热网的循环水量;
　　分阶段改变流量的质调节和间歇调节;
　　根据供热系统的特点，供热系统的最佳调节工况为质调节和量调节的结合。传统的流量调节方法采用改变循环水泵出口的阀门来调节，这种调节方法因节流的不可逆性会造成大量能量损失，使系统运行的经济性变差。比较科学的做法是采用水泵的调速技术，特别是变频调速技术，这样可以减少电能的消耗，提高供热系统运行的经济性。但究竟采用变频调速后能够节约多少能量，传统的想法是：由于水泵的轴功率随流量的三次方递减，节能潜力也随流量的三次方变化。如：当流量减小为额定流量的60%时，水泵消耗的能量仅为原来的21.6%，节能潜力高达78.4%!!本文通过分析循环水泵变频调速运行的节能机理，经计算认为这是一种错误的观点，并给出了节能潜力的计算公式，通过该公式可以得出一些对实际工作具有指导意义的结论。
　　1、水泵变频调速运行的节能机理
　　变频调速运行之所以节能是由于水泵的机械负载特性决定的。水泵的负载转矩与转速的平方成正比，轴功率与转速的三次方成比例。由于流量与转速成正比，因此，当调节流量时可以通过调节转速来进行。由电磁学原理三相异步电动机的转速与供电电源的频率有如下关系：
　　n=60f(1-s)/p
　　其中：n——电机的转速，r/min;
　　f——供电电源的频率，Hz;
　　s——异步电动机的转差率;
　　p——电动机的磁极对数;
　　所以，可以通过改变供电频率来改变电动机的转速，进而达到调节流量的目的。由于水泵的轴功率与转速的三次方成比例，当转速减小时水泵所需的轴功率大大减小，节能效益十分显著。但究竟采用变频调速比水泵的工频运行节省多少电能，下面将对这一问题进行分析。
　　2、水泵变频运行比工频运行节省电能的计算
　　2.1水泵阀门调节和变频运行时工况点的确定
　　水泵运行时的工况点由水泵的扬程(H)——流量(qv)性能曲线和管路水力特性曲线的交点决定。如图1所示。n1为额定转速时水泵的扬程(H)——流量(qv)性能曲线，R1为设计工况时的管路特性曲线，n2为转速调节后的水泵扬程(H)——流量(qv)性能曲线，R2为采用阀门调节时非设计工况下的管路特性曲线(用户热负荷减小相应流量需要减小)。额定转速时的扬程(H)——流量(qv)性能曲线n1和设计工况时的管路特性曲线R1的交点1为设计工况下水泵的工况点，这时相应的流量和水泵的扬程分别为qv1和H1。当需要将水泵的流量减小到qv2时，若采用阀门调节就需要将水泵出口的阀门关小，从而引起管路的总阻力特性系数增大，管路特性曲线变陡，使水泵的工作状态点从1点沿曲线n1变化到2点，流量减小到qv2,扬程增大到H2;当采用变频调速运行时，保持阀门的开度不变，也就是管路的水力特性曲线不变，通过改变水泵的转速达到调节流量的目的。根据水泵的相似理论，水泵的扬程(H)——流量(qv)性能曲线将平行下移到曲线n2，n2和设计工况时的管路特性曲线R1的交点3为调速调节时水泵的工况点，相应的流量和水泵的扬程分别为qv2和H3。

　　2.2各工况点下水泵电机所需的输入功率
　　2.2.1工况点1水泵电机所需的输入功率
　　Psh1=ρgqv1H1/1000η11η2η13
　　其中：
　　ρ——液体的密度，kg/m3;
　　g——重力加速度，m/s2;
　　qv1——工况点1水泵的流量，m3/s;
　　H1——工况点1水泵的扬程，m;
　　Psh1&mdas