淺談水泵變頻及效率監(jiān)測系統(tǒng)在換熱站的閉環(huán)應(yīng)用

1、 淺談水泵變頻及效率監(jiān)測系統(tǒng)在換熱站的閉環(huán)應(yīng)用 摘 要：換熱站循環(huán)水泵功率較大，有著總體節(jié)能空間較大、節(jié)能量較高的特點。隨著熱力行業(yè)的高速發(fā)展，信息化技術(shù)與自動化技術(shù)在熱力行業(yè)應(yīng)用的廣泛性極為突出，其中水泵變頻及效率監(jiān)測系統(tǒng)在換熱站應(yīng)用，即可以實現(xiàn)水泵變頻的調(diào)節(jié)，也可實時監(jiān)測循環(huán)水泵的運行效率及運行狀態(tài)，實現(xiàn)循環(huán)水泵調(diào)節(jié)監(jiān)測的閉環(huán)應(yīng)用。水泵變頻及效率監(jiān)測系統(tǒng)的組成為儀表測量部分、變頻電氣部分、自控部分。儀表測量部分的作用為通過在換熱站系統(tǒng)安裝儀表，對流量、壓力、電功率等數(shù)據(jù)進行測量；變頻電氣部分的作用為對循環(huán)水泵進行供電，并且通過變頻器進行頻率調(diào)節(jié)；自控部分的作用為對儀表數(shù)據(jù)進行采集，效率計算

2、，同時根據(jù)流量設(shè)定值控制變頻器的輸出頻率。實際應(yīng)用中，起到了驗證水泵選型的合理性、及時發(fā)現(xiàn)循環(huán)水泵的故障問題、監(jiān)控單臺水泵的能耗、驗證循環(huán)水泵出廠參數(shù)、監(jiān)控循環(huán)水泵運行參數(shù)、監(jiān)控循環(huán)水泵實際運行效率等作用。使工作人員及時了解水泵的運行狀況，保證循環(huán)水泵高效并且健康的運行，同時可以監(jiān)控單臺水泵的能耗情況。關(guān)鍵詞：效率；變頻調(diào)控、循環(huán)水泵；有效功率；輸入功率0 引言冬季供暖問題是關(guān)系居民生活切身利益的大事，換熱站在集中供熱系統(tǒng)中起到極為重要的作用，將熱源（電廠、鍋爐房）的高溫、高壓熱能轉(zhuǎn)換為低溫、低壓熱能，送到采暖用戶家中，換熱站的示意圖見圖1。循環(huán)水泵、補水泵、換熱器作為換熱站的主要設(shè)備，本文主

3、要論述的是循環(huán)水泵變頻控制系統(tǒng)及效率監(jiān)測系統(tǒng)，補水泵、換熱器等相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)在本文中不做論述。圖1大部分供暖企業(yè)自負盈虧，既要使居民供暖溫度達到標準又要降低運行成本，這就要求供暖企業(yè)選好設(shè)備，用好設(shè)備，尤為重要的是能夠?qū)崟r掌控設(shè)備的性能。循環(huán)水作為換熱站消耗電能的主要設(shè)備，它的功率較大，總體節(jié)能空間較大、總體節(jié)能量較高。需要循環(huán)水泵能耗進行精細化管理，根據(jù)供熱系統(tǒng)工況，對循環(huán)泵運行頻率進行調(diào)節(jié)，并對揚程、流量、運行效率進行監(jiān)控，保證即滿足供熱需求，又在高效區(qū)運行。隨著熱力行業(yè)的發(fā)展，信息化技術(shù)、自動化技術(shù)和變頻技術(shù)在熱力行業(yè)的應(yīng)用，解決了換熱站節(jié)能降耗實時調(diào)節(jié)、實時監(jiān)控的難題，水泵變頻及效率監(jiān)

4、測系統(tǒng)使循環(huán)水泵實現(xiàn)閉環(huán)運行。此系統(tǒng)使用了變頻技術(shù)和水泵效率計算原理。1 循環(huán)水泵變頻技術(shù)原理水泵調(diào)速的理論之一是水泵學(xué)比例律。由水泵學(xué)比例律可知，對于同一臺水泵，當以不同轉(zhuǎn)速運行時，水泵的流量q，揚程h，軸功率p與轉(zhuǎn)速n有如下關(guān)系：公式1：q1/q2=n1/n2 公式2：h1/h2=(n1/n2)2 公式3：p1/p2=(n1/n2)3流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。由此可見，使用變頻技術(shù)降低轉(zhuǎn)速時，流量及功率同時降低。在換熱站系統(tǒng)中，循環(huán)水泵作為主要調(diào)節(jié)設(shè)備，具體作用為將換熱器、庭院管網(wǎng)、用戶管網(wǎng)內(nèi)水循環(huán)起來，將電能轉(zhuǎn)換成水的動能，循環(huán)水泵輸出了揚程，使

5、水具有克服循環(huán)系統(tǒng)阻力的能量，產(chǎn)生了流量。循環(huán)水泵多采用變頻器調(diào)速，在循環(huán)水泵變頻柜中安裝變頻器，變頻器改變循環(huán)水泵頻率而達到無級調(diào)速的目的。循環(huán)水泵在換熱站中的調(diào)節(jié)方式為：換熱站以質(zhì)調(diào)節(jié)方式運行時，根據(jù)庭院管網(wǎng)、用戶管網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)或供熱量調(diào)節(jié)的流量參數(shù)，作為熱力站的供水流量設(shè)定值，循環(huán)水泵變頻器控制循環(huán)泵轉(zhuǎn)速，達到此流量，保障正常供熱。換熱站以質(zhì)量-流量調(diào)節(jié)方式運行時，變頻器控制水泵轉(zhuǎn)速，改變換熱站供水流量，使供暖用戶的散熱設(shè)備的放熱量與用戶熱負荷的變化規(guī)律相適應(yīng)，達到熱量供需平衡的目的。2 水泵效率計算原理循環(huán)水泵的效率反應(yīng)循環(huán)水泵性能的好壞及能量利用的程度。效率越高，說明機械的品質(zhì)越優(yōu)

6、良，所以效率是水泵的重要技術(shù)指標之一。它標志著水泵能量轉(zhuǎn)換的有效程度，水泵的效率越高，表示水泵工作時的能量損失越小。電功率不可能全部傳遞給輸出的液體，其中必有一部分能量損失。水泵內(nèi)能量損失可分為三部分，即水力損失、容積損失、機械損失及水泵電動機效率。2.1水力損失和水力效率水流經(jīng)水泵的吸入室、葉輪、壓出室時產(chǎn)生摩擦損失、局部損失和沖擊損失。摩擦損失是水流與過流部件壁間的摩擦阻力引起的損失。局部損失是水流在泵內(nèi)由于水流速度大小與方向發(fā)生變化引起的損失。沖擊損失是泵在非設(shè)計工況下運行時水流在葉片入口處、出口處及壓出室內(nèi)引起的損失。水力損失越大，水泵的揚程越小。未考慮水泵內(nèi)水力損失的揚程為理論揚程h

7、t,則水泵揚程h與理論揚程ht之比，稱為水力效率h。2.2容積損失和容積效率水流流過葉輪后，有一小部分高壓水經(jīng)過泵體內(nèi)間隙(如減漏環(huán))和軸向力平衡裝置(如平衡孔)泄露到葉輪的進口，另外一部分從軸封裝置處泄漏到泵體外，消耗了一部分能量，即容積損失。漏損q越大，水泵的出水量q越小。通過水泵出口的流量q與通過泵進口的流量q+q之比 稱為容積效率v。2.3機械損失和機械效率葉輪在液體中旋轉(zhuǎn)時，前、后蓋板外表面與液體產(chǎn)生摩擦損失(即輪盤損失)，泵軸轉(zhuǎn)動時軸和軸封、軸承產(chǎn)生摩擦損失，克服摩擦損失消耗了部分能量，即機械損失，機械損失功率用 pm表示。從泵的輸入功率中扣除機械損失后，葉輪傳遞給液體的功率稱水功

8、率，用w表示。2.4水泵電動機效率水泵電動機作為將電能轉(zhuǎn)換為機械能的電器，將電功率轉(zhuǎn)換為水泵的軸功率，在轉(zhuǎn)換過程中，有一部分能量損失。水泵電動機效率越高，能量損失越小。用d表示。2.5水泵的效率是容積效率、水力效率、機械效率及水泵電動機效率的乘積。也可用水泵的輸出功率與消耗的電能功率的比值來計算，具體計算公式為：=gqh1000p （公式4）（1）揚程h:水泵進出口揚程（m）；（2）流量q：熱力站二次側(cè)流量計數(shù)值（m3/s）；（3）功率p:消耗的電能功率（kw）；（4）水的密度：取值為103kg/m3；（5）重力加速度g:取值為9.18m/s2；（6）水泵效率。3水泵變頻及效率監(jiān)測系統(tǒng)原理水泵

9、變頻及效率監(jiān)測系統(tǒng)組成為儀表測量部分、變頻電氣部分和自控部分。儀表測量部分的作用為通過在換熱站系統(tǒng)安裝儀表，對流量、壓力、電功率等數(shù)據(jù)進行測量；變頻電氣部分的作用為對循環(huán)水泵進行供電，并且通過變頻器進行頻率調(diào)節(jié)；自控部分的作用為對儀表數(shù)據(jù)進行采集，進行效率計算，同時根據(jù)流量設(shè)定值控制變頻器輸出頻率。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見圖2。圖23.1儀表測量部分在換熱站系統(tǒng)中安裝了流量計、壓力傳感器，可事實監(jiān)測水泵的揚程及流量，在變頻柜上安裝智能電表，可以實時監(jiān)測水泵功率。以便對循環(huán)水泵效率實時監(jiān)測，積攢數(shù)據(jù)進行性能評測。超聲波流量計和壓力變送器安裝詳見圖2。3.2變頻電氣部分為實現(xiàn)換熱站循環(huán)水泵變頻調(diào)速，需要配置專

10、用變頻柜，變頻柜內(nèi)安裝配電開關(guān)、變頻器、啟停接觸器等電氣元件，示意圖見圖3，變頻柜具有以下功能：（1）接收自控柜模擬量信號，變頻調(diào)速。（2）向自控柜反饋模擬量信號，實現(xiàn)閉環(huán)控制。（3）變頻器提供水泵超電流、接地、過熱等保護。（4）手動啟停循環(huán)水泵。（5）自動啟停循環(huán)水泵。（6）計量水泵功率及用電量。3.3換熱站自控系統(tǒng)（1）自控柜組成及作用自控柜由柜體、plc、路由器、直流電源、端子排、觸摸屏等設(shè)備組成，具體排布詳見圖4。柜體用于安裝各種電氣元件。plc用于采集儀表數(shù)據(jù)、控制循環(huán)泵頻率，并且計算效率。直流電源用于為儀表供電。觸摸屏用于顯示各儀表數(shù)據(jù)、水泵運行狀態(tài)及水泵效率。路由器用于將數(shù)據(jù)遠傳

11、至控制中心系統(tǒng)。圖3 圖4（2）循環(huán)泵頻率控制及反饋循環(huán)泵頻率控制采用閉環(huán)的方式，自控柜根據(jù)循環(huán)水泵變頻技術(shù)原理，輸出010v電壓信號，控制變頻柜輸出頻率；同時接收4-20ma的反饋信號，判斷頻率是否達到設(shè)定值，詳見圖2。（3）循環(huán)泵效率計算自控柜通過信號線纜與流量計、壓力變送器、變頻柜等設(shè)備進行連接，對數(shù)據(jù)進行采集。并根據(jù)水泵效率計算原理中公式4對數(shù)據(jù)進行運算。4水泵變頻及效率監(jiān)測系統(tǒng)在換熱站的實際應(yīng)用在某換熱站內(nèi)安裝了水泵變頻及效率監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)供熱量變化，實時調(diào)節(jié)循環(huán)水泵頻率，同時監(jiān)測循環(huán)水泵運行效率和運行參數(shù)，并對循環(huán)水泵的性能進行評測。下表為通過水泵變頻及效率監(jiān)測系統(tǒng)獲得的頻率在30

12、hz、40hz、50hz的揚程、流量等參數(shù)。循環(huán)泵的額定流量為191.9 m/h，額定揚程為34.5米。地點運行 工況進口壓力 (mpa)出口壓力 (mpa)揚程二次流量 (m/h)輸出功率(kw)效率水泵130 hz0.290.4213102.64.777.33%40 hz0.240.4622137.7410.280.96%50 hz0.170.5235173.3120.979.09%根據(jù)上表的數(shù)據(jù)，評測得出循環(huán)水泵的運行性能?？傻玫揭韵聨c結(jié)論：（1）水泵實際運行效率驗證了廠家提供參數(shù)的真實、可靠；（2）水泵實際運行效率驗證水泵在高效運行；（3）通過水泵實時功率，監(jiān)控水泵的耗電量；（4）驗

13、證水泵選型的合理性，本循環(huán)水泵選型合理，滿則供熱系統(tǒng)對流量及揚程的需求，并且運行效率較高，本循環(huán)水泵適于本系統(tǒng)的運行工況；（5）對水泵運行監(jiān)控進行閉環(huán)管理，可實時對流量及揚程進行監(jiān)控，有效防止水泵過載現(xiàn)象的發(fā)生，本供熱系統(tǒng)流量與揚程小于水泵的額定流量與額定揚程，本循環(huán)水泵運行狀態(tài)正常；（6）對效率較低的非節(jié)能水泵進行重點監(jiān)管，為采取的節(jié)能措施提供依據(jù)，促使水泵進行節(jié)能改造，從而達到節(jié)能的目的。5 結(jié)束語本文對水泵變頻及效率監(jiān)測系統(tǒng)原理進行了淺淡的說明，并結(jié)合實際應(yīng)用，對水泵變頻及效率監(jiān)測系統(tǒng)的作用進行了分析，該系統(tǒng)具有以下作用，對供熱量進行調(diào)節(jié)、驗證水泵選型的合理性、對水泵運行監(jiān)控進行閉環(huán)管理、對水泵不同階段的運行效率進行監(jiān)控等。換熱站應(yīng)用了此項技術(shù)，可進行供熱調(diào)節(jié)，節(jié)省