基于两种不同的变频调速供水方式能耗分析

摘要: 随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高,变频恒压供水系统已经取代了传统供水方式。进入21世纪,现代控制技术的深入发展,变压供水技术也日趋成熟。提出了用现代技术建立管网特性数学模型、基于模拟管网的实验数据和应用神经网络来计算管网特性的方法。本文重点分析了变频恒压和变压两种供水方式的能耗。通过两种供水的能耗比较,结果表明变频变压供水比恒压供水能降低能耗20%以上。因此,变频变压技术将是今后变压变流节能供水技术面临的主要课题,值得进一步去研究。

关键词: 变频调速技术;供水系统;能耗分析;节能分析;变频恒压;变频变压

1.变频调速供水技术的发展

恒压供水在我国发展于上世纪80年代后期,变频恒压供水装置根据设定水压来自动调节电机泵的转速和泵组的台数,从而满足用户对水量水压的需要。恒压供水技术虽然能节约一部分能源,但当用水量减少时,供水压力大于管网实际需要,压力会有多余,造成不必要的能耗。

上世纪90年代中期,随着变频调速技术的日趋成熟,变频调速供水系统在我国的应用也日益广泛。其中,以PLC作控制主体的变频调速恒压供水系统的研究开发成为主流。这一时期,已经开始有了变压供水概念,主要是通过将压力控制点放在用户端,由用户端的压力直接反馈与变频器的设定压力比较来进行控制,从而达到水泵出口变压的目的;变压供水的另一种控制方式是将压力控制点放在水泵出口,变频器的给定压力按管网特性曲线变化,来达到水泵出口变压的目的。

进入21世纪,随着现代控制技术的不断发展,变压供水技术也日趋成熟,提出了用现代技术建立管网特性数学模型、基于模拟管网的实验数据和应用神经网络来计算管网特性的方法。

总之,国内外恒压供水技术比较成熟,在住宅小区供水系统中还处于主流位置。而变压供水节能技术,主要采用①用户端恒压;②用现代技术手段离线建立管网特性数学模型两种方法。第一种方法需要解决压力变送器的布线和安装,若采用遥测压力,虽然避免了布线,但遥测装置的供电在住宅小区难以落实;对于第二种方法,需要在现场测取不同时段最不利点的压力与流量的关系数据,方能建立符合实际的管网特性数学模型,而当管网使用日久或管网改造以及用户用水习惯的改变等因素发生变化时,都需要对管网特性数学模型重新建立,而一般设备制造企业很难做到,从而使运用这一方法进行变压供水不能被推广。因此,研究管网特性的变化特点以及用先进控制理论制定控制策略,并达到工程化实际应用,将是今后变压变流节能供水技术面临的主要课题。

2.供水方式的能耗对比

图1中画出了一组曲线,是水泵在不同转速下(n = n0,n1,n2, ...) 的Q-H曲线和管网特性曲线,A0点是水泵或泵站的设计流量和所需扬程。

2.1水泵不调速方式

对于不调速水泵,工况点只能在对应n= n0 的一条曲线上移动,所以当流量Q 分别为Q0,Q1,Q2时,工况点分别为A0,A1,A2,显然,随着流量减小,水压必然升高,如在A1 点工作时,管网特性曲线变为R′0 ,用户压力升高为H′st。而实际管网这时只需要在C1 点工作,因此,有A1 C1 段扬程的浪费,流量越小扬程浪费越大。

2.2恒压供水方式

对于恒压供水,工况点只能在恒压线上移动,例如当流量Q分别为Q0,Q1,Q2 时,水泵转速分别被调在n1,n2,工况点分别为B1,B2,如在B1 点工作时,管网特性曲线变为R″0,用户压力升高为

H″st。同样,实际管网这时还是只需要在C1点工作,因而有B1 C1段扬程的浪费,但比不调速的情况减少了A1B1 段扬程的浪费。

2.3变压供水方式

对于变压供水,在已知管网特性的情况下,通过自动调节水泵转速,使工况点按管网特性曲线移动,即当流量Q分别为Q0,Q1,Q2 时,根据管网特性所对应的扬程来调节转速分别为n1,n2,工况点分别为C1, C2,这时将没有多余扬程浪费,比恒压供水模式减少了B1 C1 段扬程的浪费,比不调速的情况减少了A1 C1 段扬程的浪费。

3.恒压供水与变压供水能耗分析

以某小区供水泵站为例,具体分析恒压供水和变压供水的能耗情况。该泵站采用恒压供水方式,恒压值为0.4 Mpa,使用的水泵流量100m3/h,扬程50m,配套功率22kW,共4台,其性能如图2所示,泵站设计流量400m3/h,静扬程20m,管网特性为:

H =20+0.000 2Q2

3.1恒压供水能耗分析

图3是单泵恒压供水的运行情况,图4是水泵转速与效率的关系。

由图3可见,当转速低于n = 2500r/min,变频器频率约为42 Hz时,水泵降速后的性能线与恒压线不能相交,系统已失去调节作用,流量再减小,变频器的转速也不会下降。

3.2变压供水能耗分析

图5是单泵变压供水的运行情况,当转速低于n = 1800r/min,变频器频率约为30 Hz时,水泵降速后的性能线与恒压线已快要不相交了,流量再减小,变频器的转速也不会下降。

图6是水泵转速与效率的关系。图中可以看出随着转速的降低,水泵高效区域向小流量偏移,流量在40～120 m3 /h的范围中,都处在70%的高效区内,单泵变流范围非常理想。

3.3变压供水与恒压供水的能耗比较

变压供水与恒压供水可从以下几方面进行比较:

3.3.1变速范围

恒压供水由于受恒压线的限制,该泵站变速下限为n =2480r/min左右,而变压供水由于沿管网特性曲线运行,变速下限却达到n =1 800r/min,变频器功能得到了充分利用。

3.3.2水泵高效区范围

由于变速范围大,使变压供水方式的水泵高效区移动范围也变大,约为40～120 m3/h,而恒压供水方式约为80～120 m3/h,使流量的高效调节范围少了近40 m3 /h。

显然,两种供水方式的趋势有着截然不同的特征,恒压供水随着流量减小,能耗由大到小又快速增大,小流量段的品质不佳;变压供水随着流量减小,能耗一直向节能方向发展。

4.结论

1) 恒压供水恒压线需根据泵站实际认真设置,设置高了会减小调速范围和调流范围;

2) 恒压供水在流量低谷时不但不节能,反而浪费能源;

3) 变压供水调速范围和调流范围都比恒压时宽;

4) 变压供水比恒压供水要节能20%以上。

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