暖通工程師：變速風機和變速泵應用實例與分析

1、暖通工程師：變速風機和變速泵應用實例與分析     1、引言在暖通空調(diào)工程中，使用大量的風閥水閥對系統(tǒng)中的風量水量進行調(diào)整，使其滿足所要求的工況。它們的調(diào)節(jié)原理是增加系統(tǒng)的阻力，以消耗泵或風機提供的多余的壓頭，達到減少流量的目的。因此這些調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)作用是以消耗風機或水泵運行能耗為代價的。目前暖通空調(diào)工程中愈來愈多地使用自動控制系統(tǒng)。為實現(xiàn)自控，許多風閥水閥還要使用電動執(zhí)行機構。目前質(zhì)量好的電動水閥價格為幾千甚至上萬元。電動風閥亦需要幾千元。電動風閥水閥的費用常常占到自控系統(tǒng)總費用的40%以上。能否改變系統(tǒng)的構成方式，減少使用這些既耗能、又昂貴

2、的閥門，用其它方式實現(xiàn)對流量的調(diào)節(jié)？風機水泵與風閥水閥是一一對應的兩類調(diào)節(jié)流量的設備。風機水泵為流體提供動力，而風閥水閥則消耗流體多余的動力。因此，若用風機水泵代替風閥水閥，不是在能量多余處加裝閥門，而是在能量不足處增裝水泵或風機，通過調(diào)節(jié)風機水泵的轉(zhuǎn)速，同樣可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)。此時由于減少了調(diào)節(jié)閥，也就減少了閥門所消耗的能量，因此會減小運行能耗。同時，目前可變轉(zhuǎn)速的風機、水泵價格與相同流量的電動風閥、水閥價格接近，甚至更低，因此初投資也不會提高。從這一思路出發(fā)，本文先給出幾個用泵代閥的例子，然后進一步討論這一方案對暖能空調(diào)工程的意義及要注意的問題，以期引起大家的討論。2、實例分析21簡

3、單系統(tǒng)的流量控制一個簡單的控制循環(huán)流量的系統(tǒng)，泵P提供動力以實現(xiàn)水通過閥V、管道及用戶U間的循環(huán)。此時，流量為G0，水泵工作效率為 eta；0，即效率最高點。要使流量減小一半，一種方式是將閥門關小，使管網(wǎng)等效阻力特性曲線向左偏移，此時泵的效率降低至 eta；1，壓力升至p1。由于壓力升高，效率降低，因此盡管流量減少至一半，泵耗僅減少20%30%，此時除閥門以外的管網(wǎng)部分由于其阻力特性不變，因此僅消耗壓降p0/4，剩余部分3（p0（p1p0）/4均消耗在閥門上，它消耗了此時泵耗的80%，這就是為什么說調(diào)節(jié)閥消耗了大部分水泵能耗的依據(jù)。此外，水泵工作點偏移造成的不穩(wěn)定、閥關小后大的節(jié)流和壓降引起的

4、噪聲，都對系統(tǒng)有不良影響。若保持不變，但將泵的轉(zhuǎn)速降至50%，同時給出此時的工作狀況，這時管網(wǎng)的阻力特性曲線不變，泵的工作曲線下移，泵的工作效率仍將為 eta；0，壓力p2為p0/4。這樣，減少流量后泵耗僅為原來的1/8，具有極顯著的節(jié)能效果。同時，由于泵的工作點及閥的位置均未變，因此系統(tǒng)工作穩(wěn)定，且不會有節(jié)流噪聲。此簡單例子說明：（1）當調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用時，將消耗其所在支路的大部分流體動力。并且由于改變了管網(wǎng)阻力特性，使管網(wǎng)中的動力機械工作點偏移，在多數(shù)情況下這將導致效率下降。（2）當采用變速方式調(diào)節(jié)流量時，泵或風機能耗可與流量變化的三次方成正比。并且由于系統(tǒng)阻力特性不變，泵或風機的工作點

5、不變，因此效率不變，泵、風機及系統(tǒng)均可穩(wěn)定地工作。（3）以調(diào)整泵或風機的轉(zhuǎn)速來調(diào)整流量應該是流量調(diào)節(jié)的最好手段。22供熱水網(wǎng)若系統(tǒng)設計合理，泵選擇適當，則最遠端用戶處的余壓恰好為它所需要的壓頭，閥V5全開，不多消耗能量。此時，若各用戶流量相等，彼此距離相等，主干管上比摩阻相同且忽略閥門全開時的阻力，對于n個用戶，閥門V1消耗的能量與用戶外管網(wǎng)所消耗的總能量的百分比EV1為：EV1（1/n） times；（n1）/n）第k個閥門所消耗能量與用戶外管網(wǎng)總能耗的百分比EVkEV1（1/n） times；（n1）/n）前n1個閥門共消耗的能量為：當熱用戶個數(shù)足夠多時，（n1）（2n）約等于50%，也就

6、是消耗在外網(wǎng)的能耗約有一半被各支路的調(diào)節(jié)閥所消耗。一般用戶側(cè)真正需要的揚程僅為循環(huán)泵揚程的20%30%，即外網(wǎng)消耗70%80%。因此，總泵耗的35%40%的能量被調(diào)節(jié)閥消耗掉。有時為安全起見，循環(huán)泵的揚程還要選大些，然后再通過閥門V0將多余部分消耗掉。由此使一般供暖用熱水網(wǎng)中調(diào)節(jié)閥消耗一半以上的泵耗。若改用連接熱水管網(wǎng)，在各用戶處安裝用戶回水加壓泵，代替調(diào)節(jié)閥，減小主循環(huán)泵的揚程，使其只承擔熱源及一部分干管的壓降，用戶的壓降及另一部分干管壓降由各用戶內(nèi)的回水加壓泵提供。此時無調(diào)節(jié)閥，因此也無調(diào)節(jié)閥損失的泵耗，用戶處各個回水加壓泵的揚程應仔細選擇。若選擇過大，再用閥門降低同樣會消耗能量。但如果安

7、裝變速泵則可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)各個用戶所要求的流量，因此不再靠調(diào)節(jié)閥消耗泵耗，這樣，盡管多裝了許多泵，但運行電耗將降低50%以上。在這種情況下，若各用戶要求的流量變化頻繁，整個系統(tǒng)的總流量亦在較大范圍內(nèi)變化，總循環(huán)泵也可用變頻泵，并根據(jù)干管中部供回水壓差來控制其轉(zhuǎn)速，使該點壓差維持為零，則系統(tǒng)具有非常好的調(diào)節(jié)性能與節(jié)能效果。分析表明，當采用常規(guī)的管網(wǎng)方式時，若由于某種原因，一半用戶關閉，不需要供水時，未關的用戶水量會增加，最大的流量可增加50%以上，并且對主循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速進行上述方式的控制，則同樣情況下未關閉的用戶的水量增加最大的不超8%，系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性大為改善。此方面的進一步詳細分析見文獻

8、 lt；1 gt；，這一方案準備在已開始施工的杭州熱電廠冷熱聯(lián)供熱網(wǎng)中使用，各用戶為吸收式制冷機、生活熱水用換熱器，冬季則為建筑供暖及生活熱水。分析表明，對于這種負荷大范圍變化的系統(tǒng)，采用這種方式，比常規(guī)方式節(jié)省泵的電耗62%，并改善了系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性。同時還使整個系統(tǒng)壓力變化范圍減小，從而可降低管網(wǎng)承壓要求，處長管網(wǎng)壽命。在各用戶處安裝調(diào)速泵所增加的費用基本上可以從各用戶省掉的電動調(diào)節(jié)閥及節(jié)省的用電增容費中補齊，因此總投資可以不增加甚至有所降低。23空調(diào)水系統(tǒng)為減少水泵電耗，便于系統(tǒng)調(diào)節(jié)，許多系統(tǒng)采用兩級泵方式。泵組P1可根據(jù)要求的制冷機的運行臺數(shù)而啟停，其揚程僅克服蒸發(fā)器阻力及冷凍站內(nèi)部分

9、管路的壓降，泵組P2則克服干管及冷水用戶的壓降。為了節(jié)能，P2有時還采用變速泵，根據(jù)用戶要求的流量調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)規(guī)則是維持最遠端用戶處的供回水壓差為額定的資用壓頭。文獻 lt；2 gt；中指出，P2采用變速泵后，其能耗并非如廠商所宣傳的那樣“與流量的三次方成正比”。假設冷水用戶所要求的最大壓降與干管最大流量下的壓降各占50%，例如均為5m，則泵組P2的轉(zhuǎn)速就要按照使最末端壓差恒定為5m來控制。假設各用戶要求的流量均為最大流量的50%，則各用戶本身的調(diào)節(jié)閥都紛紛關小，此時末端壓差仍為5m，干管流量降低一斗，故壓降變?yōu)?25m，泵組P2所要求的壓降從原來的10m降至625m，流量雖降至一半，但泵的工作點左偏，效率降低，因此泵耗約為最大流量時的45%左右，而并非按照三次方規(guī)律所預測的125%。造成這種現(xiàn)象是由于現(xiàn)象是由于各用戶調(diào)節(jié)閥關小，消耗了多余的這部分能量。此外，如果干管壓降占P2揚程的一半，則如同上一例所分析，由于各用戶遠近不同，這部分泵耗的一半也被各用戶的調(diào)節(jié)閥所消耗。并且空調(diào)系統(tǒng)為了改善其調(diào)節(jié)性能，還希望調(diào)節(jié)閥兩側(cè)壓差占所在支路資用壓頭的一半以上。這樣，平均估計，即使采用變速泵，泵組P2的能量中也有60%以上被各個調(diào)節(jié)閥消耗掉。再分析這種系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當由于某種原因，一些用戶關閉，一些用戶調(diào)小，總流量降低