集中供热网循环水泵采用变频调速的分析与计算
2018-03-24汪力
汪力
摘 要：本文根据集中供热一级网的运行工况，给出集中供热一级网循环水泵采用变频调速方案，分析和计算使用变频调速的运行工况和节能计算，得出在集中供热一级网循环水泵应用变频调速后，使集中供热一级网的运行更加合理可靠，而且使系统运行电费减少，达到节能的效果。
关键词：集中供热一级网；变频器；流量调节；节能
中图分类号：TM921 文献标志码：A
0 引言
北方的城市在冬季需要进行采暖，大部分城市都进行了集中供热项目的建设，这样不仅解决了城市建设发展中供热的需要，还从根本上解决了能源浪费和污染环境的问题。
随着城市建设的快速发展，带来供热热网面积越来越大，集中供熱一级网循环水泵电机功率也就越来越大，一级网水力调节变得越来越重要，同时一级网循环水泵电机的节电也明显不能忽视，即在满足热网运行要求下，达到节电。其中一级网循环水泵电机采用变频调速就是一举两得的措施。
1 电机转速调速调节流量的原理
众所周知电机转速基本公式
n=60f（1-s）/p （1）
式中：
n——转速；
f——输入频率；
s——电机转差率；
p——电机磁极对数。
由（1）式可知，通过改变电机输入电网频率和磁极对数，可以使电机转速发生变化。但电机制造出厂后，电机磁极对数是一定的，即使通过改变电机接线方式，增加或减少电机磁极对数，也无法得到电机转速连续平稳调节的效果。而改变电机输入电源频率可以达到电机转速连续平稳调节的目的。
一级网循环水泵归属于平方转矩负载，由流体力学可知
Q=K1 × n （2）
P=K×n3 = K × Q3 （3）
式中：
n——转速；
K——系数；
Q——流量。
由（2）式可见流量Q会随着转速n的下降而成正比例地下降，所以只要通过调节转速即可达到调节流量的目的。由（3）式可知当流量Q下降时，功率P将将成立方倍的下降。
2 计算与分析
下面以我院设计的一个集中热网改造工程为例，分析和计算一级网循环水泵电机采用变频调速所带来的效果。
2.1 一级网热力工况
实现热网运行的稳定前提必须进行流量均匀性改变。在整个采暖期，室温与室外温度、日照、风速、建筑物耗热量及热力系统的供水温度、流量等有关，若供热量大于需热量，用户室内温度超过设计温度，反之达不到设计温度。这一动态过程，应在外界条件变化时，随时进行供回水温度、流量的调整，以实现按需供热。
冬季采暖室外计算温度-12.9℃，平均温度-2.8℃；冬季采暖天数145天；建筑面积576.94万m2，综合热指标45W/m2，供热最大负荷264.27MW，供热最小热负荷177.89MW。新建3×91MW集中供热热源厂，热源厂供热能力为273MW。
一级网的运行调节采取质量综合的调节方式。但为避免热网流量过低造成热网水力失调，热网流量在低于设计流量的60%时，一级网的调节方式采用质调节；即当室外温度在-2.8℃～5℃时，一级网采用质调节，保持热网流量不变，以免流量过小造成各站水力失调，调节一级网的供、回水温度以适应室外温度的变化；当室外温度在-12.9℃～-2.8℃时，一级网采用质量和流量相结合的调节方式；通过保持热网供、回水温运行在额定工况下，改变热网流量，以满足热负荷的要求。
经过对热力专业提供资料要求整理可以得到以上数据见表1。
2.2 集中供热一级网循环水泵选择
由热力专业提供资料可知
G=[Q/c（tg-th）]×3600=0.86Q/（tg-th） （4）
式中：
G——计算水流量，kg/h；
Q——热用户设计热负荷，W；
c——水的比热，c=4187J/ kgo℃；
tg——设计供水温度，℃。
th——设计供回水温度，℃。
经过对热力专业提供资料整理，可以得到一级网运行基本参数如下：
供水温度120℃，回水温度70℃，设计压力1.6MPa，最大循环流量4545.44t/h，最小循环流量3059.71t/h，热网总阻力为68mH2O。
根据以上数据要求热源厂设置一级网循环水泵4台，其中3台循环水泵运行，1台循环水泵备用，流量均为1600m3/h，扬程85mH2O，电机功率500kW。
2.3 节能分析计算
根据热力工况及热力专业对电气专业的要求，电气专业根据式（1）（2）（3），一级网循环水泵电机采用变频调速，以满足热力专业对一级网在采暖期采取质量综合的调节方式。
根据热力专业要求和对热负荷延续时间计算表1，得到室外温度在-2.8℃～5℃时，一级网循环水量不变，电机工作在额定功率状态。所以电机节能计算不考虑室外温度在-2.8℃～5℃时的工况状态。仅分析计算室外温度在-12.9℃～-2.8℃时，电机节能计算。
根据式（3）、（4）和整理热负荷延续时间计算表，得到室外温度在-12.9℃～2.55℃时，一级网循环水量与电机功率之间关系表见表2。
通过表2可以看出，流量变化系数0.684035～1，功率变化系数0.271795～1。节电空间巨大，节电效果明显。
以一个采暖期室外温度变化与热负荷延续时间计算表相同。不采用变频调速循环水泵耗电量为：
W=1680× 500 ×3 = 252 ×104kWh ；
假设电费以0.738元/kWh计算，年耗电成本为252 ×104 ×0.738=186万元
采用变频调速循环水泵耗电量为：以热负荷与电机功率关系关联计算表中，5天为一个计算周期。
∑W=∑（424×3×120 +.…136×3×120） = 121×104kWh；
年耗电成本为121 ×104 ×0.738=89.3万元。
一个供暖期所节省的电费为186 - 89.3=96.7万元，节电效率为 89.3/186=48%。
结语
通过利用热工专业提供的一级网热力工况，经过详细的分析和计算。得到一级网循环水泵电机使用变频调速后，可以达到以下几点：
可以满足一级网在任何工况下安全、平稳、满足供热质量要求。
因热网温差50℃，可以延长锅炉积灰时间，保证锅炉正常运行。
在实际应用时，节电效率可达到48 %以上。
参考文献
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