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变流量系统中循环泵变速控制模式的分析

引言

上篇软文中,我们谈到了分布式多级泵系统的节能优势,当分布式多级泵系统结合水泵的变流量调节控制技术时,系统的节能将进一步提升。虽然供热系统的输配能耗占据系统整体能耗的比例较小,但是由于水系统的流量G∝n(转速),扬程H∝n2(转速),轴功率N∝n3(转速),也就是说,理论上水泵流量减少1/2,功率将下降到1/8,所以水系统节能潜力非常大。然而,实际的节能效果关键取决于水泵的控制模式,变流量水系统中水泵的控制模式一直是建筑节能的重点工作,也是暖通空调界的研究讨论热点,本文将详细分析水泵常见的几种控制模式原理以及不同模式下水泵的节能量、不同模式的适用类型。

正文:

变流量供热系统中,水泵变流量调节常见的控制模式有如下几种:非受控模式、恒压模式、计算比例压差模式、测量比例压差模式、供回水温差控制模式、恒温控制模式。

下面,让我们以一个典型的多用户共存的多级泵供热系统为案例开始讨论: 

▵图1 典型供热系统

这个系统中,每个循环靠自身的水泵运行,这些水泵包括锅炉循环泵(主泵)、补水泵、次级泵、热水加热泵、散热器循环泵、风机盘管循环泵、泳池加热泵。我们可以为每台泵设置一个或多个控制模式,设置正确的控制模式非常重要,因为正确的控制模式可以减少能源消耗,优化系统运行。

  • 非受控模式

首先我们说下非受控模式,非受控模式也叫恒定曲线模式,即定速模式。水泵拥有恒定的性能曲线,水泵性能曲线和管网的水力特性曲线交点即为系统的工作状态点。在这一点,水泵提供的流量和压头与管网在该流量下的阻力相同,达到相互匹配的稳态。闭式系统的水力特性曲线由管网特性方程H=SQ

2

而得,是一条二次抛物曲线,曲线越陡,说明S值越大,管网阻力损失越大,所以,在部分负荷下,随着末端阀门关闭,S值增大,管网特性曲线变得越来越陡。

图2 非受控模式系统工况

图2是非受控模式下的系统工作情况,L1为水泵在非受控模式下的性能曲线,S0为管网满负荷工作时的水力特性曲线,曲线L1和S0的交点0点即为设计工作状态点,在该点,水泵的流量为Q

0

,扬程为H

0

;当系统的负荷降低,末端通过阀门调节,管网特性曲线变为S1(变陡),系统流量降低到Q

1

,此时,由于水泵性能曲线不变,系统工作状态点由0点→1点,在1点工作时,水泵的流量为Q

1

,扬程为H

1

。此时,虽然水泵的流量减小了,但是扬程却增加了ΔH,水泵的轴功率没有发生变化,没有带来任何节能效果。水泵变流量控制带来节能的关键在于在减少流量的同时要降低压头,最理想状态就是水泵的性能控制曲线和管网系统水力特性曲线完全一致。所以,在非受控模式下,图2中ΔH1这部分压头全部消耗在阀门上了,相比理想的水泵性能曲线,图2右侧阴影区域(H

1

H

a

A1)为水泵浪费的能耗,而绿色区域(H

a

0Q

1

A)为理想的水泵能耗。

可以看出,非受控模式下水泵的能耗损失非常大,是不推荐应用的。在我们图1的系统中,如果非要选择其中一个泵来运用此种控制模式的话,一般就是锅炉循环泵P1,因为首先,这个泵功率小,变流量调控带来的节能意义相对较小,其次,一般锅炉热源对于循环流量有一定要求,流量过小会影响锅炉的安全运行,再者,对于传统非冷凝锅炉,盲目降低流量会导致锅炉回水温度过低,引起锅炉的冷凝腐蚀。但是随着锅炉技术的发展,目前冷凝锅炉对于最小流量的要求降低,而且对于回水温度没有限定,理论上越低越好,以上说的就不适用了。

  • 恒压模式

恒压模式也叫总管压差恒定控制模式,通过安装在供回水干管间的压差传感器(一般在泵房的分集水器之间)来时刻维持一个恒定压差。此压差的设定值为系统设计工作状态点的压力值(H

0

)。图3为恒压模式控制下系统的工作情况,水平线L2为恒压模式控制下水泵的受控曲线,时刻维持水泵的进出口压差为H

2

,H

2

即为满负荷运行时,设计工作状态点的压力值H

0

(H

2

=H

0

)。同样,当系统的负荷降低,系统流量只需要Q

1

时,此时,系统工作状态点由0点→2点,管网特性曲线变为S2。相比于非受控模式S1,水泵的扬程降低了ΔH,这个ΔH的压力降低值就是恒压控制模式带来的节能效果,但是相比于相比理想的水泵性能曲线,还是仍有ΔH

2

的压力值是消耗在阀门上了。图3右侧区域(H

1

H

2

21)为系统流量Q

1

时恒压模式控制带来的水泵节能能耗;阴影区域(H

2

H

a

A2)是相比理想水泵性能曲线水泵所浪费的能耗;绿色区域(H

a

0Q

1

A)为理想的水泵能耗。

图3 恒压模式系统工况

我们可以看出,恒压模式控制一定程度上能减少水泵能耗,但是节能效果有限。恒压模式优势在于供回水干管压差控制简单,布线方便,很适用于旧系统改造,尤其是对于最不利环路不容易确定的水系统,采用恒压模式控制还是具备一定优势的。当系统阀权度>50%时,优先推荐采用恒压控制模式。在恒压控制模式在实际运行中,如果压差设定值根据负荷调节情况进行调整,节能效果将会更好。

在图1的系统中,压力保持系统中的补水泵一般采用恒压控制模式,图1系统中的其他种类水泵,我们推荐其他更为节能的控制模式。

以上说的恒压控制的对象是总干管压差,另外还有最不利环路的恒定压差控制。关于最不利的环路的压差控制,又分为计算比例压差和测量比例压差两种控制模式。

  • 计算比例压差模式

首先计算比例压差控制的控制对象是最不利环路的压差,压差传感器的位置安装在最不利环路的供回水管路上。压差设定值为设计工况下最不利环路的压差值(阻力)Δp,因为最不利环路往往是最容易发生水利失调的位置,所以该控制方式相对安全可靠。

图4 计算比例压差模式系统工况

图4为计算比例压差控制下的系统工作情况,图4中Δp为在设计流量下最不利管路的压差,从该点至满负荷工作状态点0点连成一条直线L3,L3即为计算比例压差控制下水泵的受控曲线。同样,当系统的负荷降低,系统只需要流量Q

1

时,此时,系统工作状态点由0点→3点,管网特性曲线变为S3。相比于恒压控制模式S2,水泵的扬程进一步降低,降低了ΔH=H

2

-H

3

,节能效果更加明显,但是相比于相比理想的水泵性能曲线,还是仍有压力值H

3

-H

a

是消耗在阀门上了。图4右侧区域(H

2

H

3

32)为当系统流量为Q

1

时,计算比例压差控制模式相比恒压控制模式带来的水泵节能能耗;阴影区域(H

3

H

a

A3)是相比理想水泵性能曲线水泵所浪费的能耗;绿色区域(H

a

0Q

1

A)为理想的水泵能耗。

计算比例压差模式进一步降低了水泵的能耗,然而对于最不利环路的恒定压差控制方式中,还有一种更为节能的方式──测量比例压差模式。

  • 测量比例压差模式

测量比例压差控制的对象也是最不利环路的压差,压差的设定值为最不利环路在设计流量下的压差值,就是下图5中的Δp。

图5 测量比例压差模式系统工况

图5是采用测量比例压差控制后系统的工作情况,其中,S0为满负荷时系统管网水力特性曲线,S'为最不利环路(恒压段)前的系统主管路水力特性曲线。Δp为设定压差(最不利环路的恒压值)。曲线L1为水泵在非受控模式下的性能曲线,曲线L3为水泵在计算比例压差控制下的受控曲线。恒压段前的系统主管路水力特性曲线S'向上平移一个恒定压差Δp即得到了在测量比例压差控制下的水泵受控曲线L4。在测量比例压差模式控制下,水泵的扬程时刻都有两部分组成,分别是恒定压差和可变压差。其中,恒定压差为Δp,时刻由最不利环路的压差传感器来控制;可变压差为恒压段前的系统主管路的压力降,也就是S'这条曲线,该压力降与主管网流量平方成正比。

同样,当系统的负荷降低,系统流量只需要Q

1

时,此时,系统工作状态点由0点→4点。相比计算比例压差模式(曲线L3),水泵的扬程进一步降低(3点→4点),降低了ΔH=H

3

-H

4

,节能效果更加明显,但是相比于相比理想的水泵性能曲线,还是仍有压力值H

4

-H

a

是消耗在阀门上了。图5右侧区域(H

3

H

4

43)为系统流量Q

1

时,测量比例压差控制模式和计算比例压差控制模式相比带来的水泵节能能耗;阴影区域(H

4

H

a

A4)是相比理想水泵性能曲线水泵所浪费的能耗;绿色区域(H

a

0Q

1

A)为理想的水泵能耗。

以上说的计算比例压差模式和测量比例压差模式都是属于恒定末端压差的控制模式。虽然输配能耗进一步节能,但是由于系统的最不利环路有时候很难确定,所以这种控制方式有时候在实际运行时会影响“真正最不利环路”的运行效果。比如当最不利环路是离热源最近时,或者在运行过程中,最不利环路随着使用功能差异而变化(例如室外温度升高,热负荷降低,大部分末端阀门关小,而个别热用户仍然需要满负荷运行时)。所以,压差传感器的安装位置和恒定压差设定值大小的确定需要很慎重。

以上我们分析了几种常见的水泵变流量控制的模式,从中我们可以看到,水泵能耗在不断降低,但是离理想的水泵性能曲线还是有差距(虽然差距在不断缩小),那么最节能的水泵变流量控制模式是什么呢?我们都知道,变流量系统的流量根据负荷改变,流量调节是通过阀门的开度变化或启闭、水泵转速这些措施来实现的。由于阀门的调节必然导致系统的水力特性曲线发生变化,管路的阻力增加,所以会给水泵运行造成负担。所以,最理想最节能的模式应该是系统全开(设计工况下的水力特性曲线),单独由水泵进行变流量调节,来实现负荷的调节。这种控制模式就是下面我们要介绍的最后一种控制模式——供回水温差控制模式。

  • 供回水温差控制模式

供回水温差控制模式就是恒定系统供、回水主管的温差,水泵根据温差的变化进行转速调整。温差变大,水泵转速变大,温差变小,水泵转速减小。利用这种模式控制时,末端阀门调节度非常小或不调节。

图6 供回水温差控制模式系统工况

图6是采用供回水温差控制模式下系统的工作情况。其中,曲线S0为系统管网水力特性曲线,曲线L1为水泵在非受控模式下的性能曲线,0点为设计工作状态点。采用供回水温差控制模式,水泵的受控曲线L5和系统管网水力特性曲线S0完全重合。当系统的负荷降低,系统流量只需要Q

1

时,此时,系统工作状态点由0点→A点。相比测量比例压差模式(曲线L4),水泵的扬程进一步降低(4点→A点),降低了ΔH=H

4

-H

A

,没有任何多余压力损失在阀门上。图6右侧区域(H

4

H

a

A4)为当系统流量Q

1

时,温差控制模式和测量比例压差控制模式相比带来的水泵节能能耗;该水泵能耗即为理想水泵能耗——绿色区域(H

a

0Q

1

A)。

实际上,目前喜德瑞产品线中,很多内置水泵的锅炉产品都采用了这种最节能的控制模式(供回水温差控制模式),例如图7所示PMC内置的变流量调速水泵。

图7 PMC内置变流量调速水泵

运用这种控制方式不仅仅大大节省了水泵的运行能耗,而且还有非常重要的意义,那就是——优化锅炉冷凝效果。

图8 壁挂炉带去藕罐的二级泵供热系统

图8是一个非常典型的壁挂炉带去藕罐的二级泵系统,锅炉和去藕罐之间由锅炉循环泵(内置或非内置)形成一个锅炉侧循环。假设锅炉输出功率50kW,如果水泵是一个定速泵,当系统满负荷运行,锅炉侧循环是按照设计温差(20℃)、50kW输出功率运行,这20℃的温差普遍可以带来较低的回水温度,利于锅炉冷凝;当系统负荷降低到20%,只需要10kW热负荷的时候,锅炉比调下降,降低燃烧器输出功率,但是此时水泵如果还是定速运行,加上锅炉和去藕罐之间无任何调节类阀门,锅炉和去藕罐之间的循环流量仍为满负荷运行时的流量,此时锅炉侧实际运行温差只有设计温差(20℃)的20%,也就是4℃,这4℃的温差非常不利于冷凝炉的冷凝,造成冷凝炉低效运行。

现在上面这个案例中如果锅炉内置的是一个根据温差调节的变流量调速水泵,那么就可以在负荷降低的同时降低水泵的转速,时刻保持锅炉供回水至今20℃的循环温差,优化冷凝效果。

可见,内置一个温差变速泵不仅仅只是降低了水泵运行功耗,对冷凝炉高效运行也有着极为关键的作用。

内置温差变速泵对冷凝炉的高效运行非常有利,但是我们要学会灵活使用,否则可能会给你的系统带来负面影响:大多数内置变速泵的冷凝炉温差控制模式要时刻维持20℃的供回水温差,如果你的系统是冷凝炉直供末端的系统(大多数住宅供暖系统),当末端是低温辐射末端的时候(温差10的供回水温差,如果你的系统是冷凝炉直供末端的系统(大多数住宅供以内),就可能出现水泵持续降低转速,导致系统流量不足,影响末端供暖效果的情形。所以,此时需要须通过设定内置变速泵的变速方式使之与系统流量变化保持一致。目前喜德瑞锅炉产品的控制器都具备修改此参数的功能,大家需要学以致用。

最后我们通过图9来综合分析下本文所讨论的几种水泵变流量控制模式。图9左侧曲线L1~ L5分别表示L1(非受控模式)、L2 (恒定压差)、L3(计算比例压差)、L4(测量比例压差)、L5(供回水温差控制)。通过以上控制模式,当系统流量只需要Q

1

时,系统实际工作状态点分别为1点→2点→3点→4点→A点,水泵实际压头不断下降,节能效果越来越好。

图9 水泵变速控制模式综合比较

相比最理想的水泵性能曲线S0(L5),图9中右侧区域5表示测量比例压差模式所造成的能耗损失,(区域5+区域4)表示计算比例压差模式所造成的能耗损失,(区域5+区域4+区域3)表示恒压模式所造成的能耗损失,(区域5+区域4+区域3+区域2)表示非受控模式所造成的能耗损失。

最后,我们再回到图1中典型系统,通过以上分析,我们就可以为系统中每台泵设置其合理的控制模式了。

图10 常见水泵变速控制模式在典型系统中的应用

结语:

通过上篇文章分布式多级泵系统的节能优势,以及本篇关于水泵的变流量调节控制模式的讲解。大家应该对水系统如何降低输配能耗有了基础的认识。实际上影响系统节能的因素有很多,我们不能停留在比较热源额定能效的初级阶段,好的产品需要好的运行管理才能实现节能效果。系统设计除了满足功能性的基础需求外,其终极目标永远是节能。我们下篇文章将继续围绕如何优化系统节能潜力继续探讨。