空调系统冷冻水循环水泵变频运行的节能机理

第23卷,总第130期《节能技术》Vol.23 , Sum. No.1302005年3月,第2期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYMar. 2005,No.2空调系统冷冻水循环水泵变频运行的节能机理黄建恩(中国矿业大学建筑环境与设备工程系,江苏徐州221008)嘀要:本文通过分析空调系统冷冻水循环水泵变频运行比较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较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。关键词:循环水泵;变频;节能潜力;计算方法中图分类号:TU831 :TM921.51文献标识码:A文章编号: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应,避免出现室温过高或过低。空调系统的集中调1引言节一般在冷源处进行,常用的调节方法有改变冷冻在空调系统的运行过程中,由于用户的冷负荷水的供回水温度或改变冷冻水的循环水量。随室外环境的变化而变化,在整个空调季节的大部当用户冷负荷变化需要改变冷冻水循环水量分时间,用户冷负荷都偏离设计状态。为保证空调时,传统的流量调节方法是通过改变循环水泵出口质量,必须根据室外气象条件的变化对空调系统的阀广中国煤化工方法因节流的不可逆冷冻水供回水温度和循环水量进行调节,使用户末性会Hc N M H G统运行的经济性变差。端空调设备放出的冷量与用户冷负荷的变化相适比较科学的做法是采用水泉的调速技术,特别是变频调速技术,这样可以减少电能的消耗,提高系统运收稿日期2005-02-26 修订稿日期 2005-03- 14行的经济性。但究竟采用变频调速后能够节约多少作者筒介方建墨(1970~ ).男,讲师,硕士在读。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:当小到9o2,扬程增大到H2;当采用变频调速运行时,流量减小为额定流量的60%时,水泵消耗的能量仅保持阀门的开度不变,也就是管路的水力特性曲线为原来的21.6%,节能潜力高达78.4% ,本文通过不变,通过改变水泵的转速达到调节流量的目的。根分析循环水泵变频调速运行的节能机理,经计算认据水泵的相似理论,水泵的H- q。性能曲线将平行为这是一-种错误的观点,并给出了节能潜力的计算下移到曲线n2, n2和设计工况时的管路特性曲线R公式,通过该公式可以得出一些对实际工作具有指的交点3为调速调节时水泵的工况点,相应的流量导意义的结论。和水泵的扬程分别为qo2和H3。2水泵变频调速运行的节能机理HR2变频调速运行之所以节能是由于水泵的机械负RI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。而流量与转速成正比，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|n源的频率有如下关系:n = 60f(1- s)/p9.2 9rqτ"式中n-电机的转速, r/min;图1水泵阀门调节 和变频调节时工况点的确定f- -一供电电源的频率,Hz;Fig 1. Determination of working points of eirculating pumpr 异步电动机的转差率;controlled by variable frequency and by valvep一一电动机的磁极对数。所以，可以通过改变供电频率来改变电动机的转速,3.2各工况点 下水泵电机所需的输入功率进而达到调节流量的目的。由于水泵的轴功率与转3.2.1工况点1水泵电机所需的输入功率Ps1 = Pg9o1 H/1000711 72713速的三次方成比例,当转速减小时水泵所需的轴功液体的密度, kg/m2;率大大减小，节能效益十分显著。但究竟采用变频调重力加速度,m/?;速比水泵的工频运行节省多少电能，下面将对这一7o1T-工况点 1水泵的流量, m//s;问题进行分析。H一-工况点 1水泵的扬程,m; .3水泵变频运行比工频运行节省电能的计:工况点1水泵电机的输人功率，算kW;3.1水泵阀门调节和变频运行时工况 点的确定11.72.713--分别为工况点 1水泵效率、水泵运行时的工况点由水泵的H- q。性能曲线水泵与电机的传动效率、电机效率。和管路水力特性曲线的交点决定。如图1所示:n为3.2.2.工况点2水泵电机所需的输入功率额定转速时水泵的H - q,性能曲线,R为设计工况Ph2 = pg9n2H2/1000721 72723时的管路特性曲线, n2为转速调节后的水泵H- q。= pgqo2H3/1000 + pgqo2(H2- H3)/1000 +性能曲线,R2为采用阀门调节时非设计工况下的管pgqo2H2[1/( 721 72723) - 1]/1000路特性曲线(用户冷负荷减小相应流量需要减小)。式中qo2一工况点 2水泵的流量,m'/s; .额定转速时的H- q。 性能曲线n|和设计工况时的H2-- 工况点2水泵的扬程,m;管路特性曲线R;的交点1为设计工况下水泵的工中国煤化工的扬程,m; .况点,这时相应的流量和水泵的扬程分别为qo1 和MYHCN MH C泵电机的输人功率，H。当需要将水泵的流量减小到qo2 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721.72、72--分别为工况点 2水泵效率、的总阻力特性系数增大,管路特性曲线变陡,使水泵水泵与电机的传动效率、电机效率;的工作状奇点故据点沿曲线n变化到2点,流量减pg9n2Hs/1000--有用功率 ,kW; .●140●pgqn2(H2- H3)/1000阀门节流损失的OP = Pu2- Ph3功率,kW;= pgqo2(H2- Hz)/1000 +pgqn2H2[ 72172723) - 1]/1000--工况点2(pg02/1000) {H2[1/(7212723)-1] -水泵电机装置损失的功率, kW。H3([1/7312733)- 1]}可见,工况点2水泵电机所需的输人功率由三由该式可以看出采用变频调速所节省的能量由部分组成:有用功率pgq,2H3/1000;阀门节流损失的两部分组成:第一部分 阀门节流调节比变频调速调功率pgqo2(H2 - H3)/1000;水泵电机装置损失的功节损失的功率pgq,2(H2 - H3)/1000; 第二部分两种率pgqo2H2[1/( 721 723) - 1]1000调节工况下水泵电机装置损失的功率的差值,即3.2.3工况点3水泵 电机所需的输入功率(pgqo2/1000){H2[1/( 721727z}) - 1]-Psh3 = Pgqo2Hz/1000731 72 733H3[1/731727233)- 1]}。= pgqo2H3/1000 +4水泵变频调速的节能潜力pgqo2H3/1000[1/(73172733) - 1]式中工况点3水泵的流量, m2/s;水泵变频调速相对于阀门节流调节的节能潜力H;工况点3水泵的扬程,m;可以采用水泵变频调速调节比阀门调节可节省的电Ph3-工况点3水泵电机的输入功率,能OP和水泵采用阀门调节所需电机输人功率Ph2kW;的比值来表示。但采用这种方法由于Pon2 随调节流731、72、733分别为工况点3水泵效率、量的变化而变化，,不够直观。为使结果更直观，采用节省的电能OP与设计工况下所需电机输人功率水泵与电机的传动效率、电机效率;pgqo2H3/1000[1/( 73172733) - 1]---工况 .Pn1的比值来表示节能的潜力,由于水泵在设计工点3水泵电机装置损失的功率, kW。况下运行消耗的功率为定值(已知),这样使节能潜. 3.3 水泵变频调节比阀门调节节省的电能OP力的计算更具有实用性和可比性。水泵变频调节比阀门调节可节省的电能OP:OP = OP/Psh1eg.2(Hz- H) + 0pg9.2| H2[1/272723) -1]- Hs[1/( 73173)二1业(1)pgqn1H/( 7u 7713)OP-一表示节能潜力,用占设计工况下所_9o2(40+ a1902 + a292) - S192 .(3)需电机输人功率Pm1的比值来表示。.S1q31因水泵的H - q。性能曲线为抛物线形,工程分S-设计工况下管路的水力特性系数,析时可用一个二次多项式表示,设:m. (m2/s)-2。H = ao+ a190+ a2q;(2)从公式(3)可以看出:变频调速运行比较阀门其中H为水泵的扬程,m;q,为水泵的流量,节流调节时的节能潜力为流量的复杂函数,并不与m2/s;ao、a1.a2为与水泵有关的常数,对确定的泵流量的三次方成比例。由于循环水泵一般选用H -其值为已知数。运用(2)式和阻力平方区(空调系统q。性能曲线较平缓的水泵,在工频运行的条件下，运行时一般均处于阻力平方区)管路的阻力损失和流量减小时泵的扬程增加较小,为便于分析设H2≈管路特性曲线、流量的关系式OH = Sq,其中OHH = Sq,则(3)式进一 步化简为:为管路的阻力损失,S为管路特性系数,q。为流量,中国煤化工同时假设在调节过程中水泵和电机的效率不变(实YHCNMHG际上由于流量的减小可能会有不同程度的下降),则902S1q元- S192(1)式化简为:S1q21OP =pgq.2H2 - PBqo2H3102_ 92.= 9o-η(4)数据Pg9o1Hq01q3，141.其中g。- 表示相对流量,q = 9qo2/q01o水力失调现象将会加剧。因此,即使采用变频调节对将公式(4)两边对。求--阶导数,并令其等于空调冷却水的最小循环流量也要加以限制。综合节零,可求出△P在g。= 0.577时有一极大值,这时sP能潜力最大时的相对流量g。= 0.577和系统运行的= 38.49%。实际情况,特别是应保持运行过程中的水力工况稳定,建议在实际调节过程中g。 取0.6 ~ 1。0.45结论(1)变频调速比阀门调速具有明显的节能效益,最大节能潜力高达38. 49% (理论计算值,实际上口0.2-会有所减小),在实际工作中应积极推广使用。(2)变频调速比较阀门调速的节能潜力为流量的函数OP = g。一站,并不与流量的三次方成比例。00.5节能潜力在q。= 0.577时达到最大。为保持系统的相对流量最佳调节工况在调节过程中建议g。取0.6 ~ 1。图2节能潜力曲线(3)由于节能潜力存在极大值,在选用循环水Fig 2. The curve of the potential of energy conservation泵时应认真进行水力计算,以便正确的选择循环水将公式(4)表示的节能潜力绘成曲线得图2。从泵,保证系统运行的经济性。图中明显看出,节能潜力随相对流量的变化,节能潜参考文献.力随流量的减小先增大,达到极大值后,再进-步减[1]盛昌达,张国权,赵家礼等.异步电动机运行节能小流量,节能潜力反而减小。这说明流量很小时变频[M] .北京:水利电力出版社, 1989.运行和阀门节流调节运行的能耗趋于- -致。[2]杜金城.电气变频调速设计技术[M].北京:中国电实际上,用变频器传动电机与电机的工频运行力出版社,2001.相比,电动机的功率因数、效率都将不同程度的降[3]赵荣义,范存养,薛殿华.空气调节(第三版)[M].北低,这是由变频器输出的高次谐波分量引起的不良京:中国建筑工业出版社，1999.影响。而且,变频器本身也要消耗- -定的功率。加之，[4]王松岭,安连锁.流体力学及泵与风机(第二版)流量很小时水泵的效率会急剧下降,空调水系统的[M].北京:中国电力出版社,2000.(上接第128页)(5)调节、触发电路:产生一个保持定子电压与4结论电流相位差为30的定子电压触发脉冲。通过对电机在轻载时运行机理的分析,建立了(6)交流调压电路:采用交流调压器,产生-一个电机节能的数学模型，得出了电机功率因数与转差适合负载的定子电压。率以及与定子端电压的函数关系,得出异步电动机(7)给定定子电压与电流相位差为30°所对应的运行于空(轻)载时通过降低定子端电压可以提高电电压。动机的功率因数结论，并以此为依据设计- -降压节能可行方案。整个系统的控制过程大体如下:参考文献电动机两端的电压和励磁电流经过电压检测电路和电流检测电路将幅值降低,然后,通过电压相位[1]汤蕴,史乃等.电机学(M].西安:西安交通大学出版检测电路和电流相位检测电路将电压和电流信号变社, 1993.中国煤化工M].北京:高等教育出版成了脉冲波形信号,再通过逻辑电路的整定就得到社,20MHCNMHG了相位角φ的检测量,然后经过低通滤波器得到与[3]石生主编.电路基本分析[M].北京:高等教育出版给定的基准电压形式- - 致的模拟量,通过调节触发社,2000.电路输出触发脉冲作用于交流调压器即得到与电动[4]邓星钟等.机电传动控制[M].武汉:华中理工大学机所带动的负载相适应的端电压。出版社, 1998.4.