變頻技術(shù)在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用

蔡志濤

(鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 鹽城 224000)

1 變頻器的性能和應(yīng)用優(yōu)勢

1.1 變頻器的節(jié)能原理分析

在供暖系統(tǒng)中要科學(xué)地應(yīng)用變頻器，需要對(duì)變頻器的基本原理以及運(yùn)行過程中的關(guān)鍵控制內(nèi)容作分析，這樣，變頻器的應(yīng)用才會(huì)更具規(guī)范性和專業(yè)性，其應(yīng)用的最終效果會(huì)更加顯著。

1.2 節(jié)能基本原理

首先是基本的節(jié)能原理分析。分析變頻器的基本原理，這對(duì)于變頻器的具體選擇和利用有非常顯著的意義。以供暖系統(tǒng)中水泵的利用為例，在水泵調(diào)速運(yùn)行節(jié)點(diǎn)的相關(guān)理論當(dāng)中，水泵學(xué)比例律是十分重要的一項(xiàng)理論內(nèi)容，接合器進(jìn)行分析，當(dāng)同一臺(tái)水泵的轉(zhuǎn)速不同時(shí)，其流量Q、轉(zhuǎn)速n、軸功率P以及揚(yáng)程H之間具有如下關(guān)系。

Q1/Q2=n1/n2

(1)

H1/H2=(n1/n2)2

(2)

P1/P2=(n1/n2)3

(3)

對(duì)此關(guān)系式進(jìn)行分析，可以看出關(guān)系當(dāng)中水泵的轉(zhuǎn)速和流量具有正比關(guān)系，而揚(yáng)程則和轉(zhuǎn)速的平方之間具有正比關(guān)系，軸功率和轉(zhuǎn)速立方具有正比關(guān)系。通過此關(guān)系可以明確，在降低水泵轉(zhuǎn)速后，功率的減少量對(duì)比流速要相對(duì)較多。因此，在具體實(shí)踐過程當(dāng)中，通過將水泵轉(zhuǎn)速降低，可以有效減少單位供水量的電耗。通過電工學(xué)的相關(guān)理論可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸入功率的關(guān)系式如下。

n=60f(1-s)/p

(4)

式中：f表示電源頻率，s表示滑差率，p表示極數(shù)對(duì)，n則表示電機(jī)轉(zhuǎn)速。在此關(guān)系式當(dāng)中可以看出，通過變頻器可以使電機(jī)頻率發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。針對(duì)水泵而言，變頻調(diào)速在進(jìn)行供水時(shí)，可以通過壓力變送器對(duì)管網(wǎng)水壓進(jìn)行檢測，同時(shí)還可以將相關(guān)的水壓信號(hào)向電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并向變頻器內(nèi)的單片機(jī)進(jìn)行反饋。單片機(jī)可以結(jié)合水壓情況對(duì)水泵電機(jī)的輸入頻率進(jìn)行調(diào)整，從而改變水泵轉(zhuǎn)速。

2 變頻器的自動(dòng)控制

就變頻器的具體使用來看，其既能夠進(jìn)行手動(dòng)控制，同時(shí)還可以采取自動(dòng)控制的方式。在自動(dòng)控制的實(shí)際操作過程當(dāng)中，控制信號(hào)具體對(duì)4～20mA的電流信號(hào)或者0～5V的電壓信號(hào)進(jìn)行采用。在控制過程中主要采用的方法為閉環(huán)控制法，相關(guān)流量儀表的氣動(dòng)信號(hào)可以經(jīng)過氣電轉(zhuǎn)換器向電流信號(hào)進(jìn)行變換，大小為4～20mA，通過變頻器的控制端可以對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而使流量發(fā)生改變。在具體實(shí)踐過程中，如果對(duì)電動(dòng)儀表進(jìn)行利用，則可以簡化控制系統(tǒng)。除此之外，流量控制對(duì)比傳統(tǒng)的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制在精度上明顯更高。因此，在相關(guān)要求的前提下，變頻器可以有效實(shí)現(xiàn)壓力、溫度以及各種信號(hào)的綜合控制。

3 變頻器和閥門調(diào)節(jié)的節(jié)能比較

就供暖系統(tǒng)的變頻器應(yīng)用來看，在使用變頻器后，能夠全部打開泵和管線的閥門，并采用電機(jī)電源頻率改變的方式使電機(jī)轉(zhuǎn)速得到改變，最終使流量產(chǎn)生變化。下圖為水泵和閥門控制過程中，調(diào)速控制時(shí)揚(yáng)程和流量之間關(guān)系形成的具體曲線。

在圖1當(dāng)中：曲線1主要表示泵在轉(zhuǎn)速達(dá)到n1時(shí)，流量Q和揚(yáng)程H之間的性能曲線；曲線2主要表示管路阻力的特性曲線；曲線3則用來表示當(dāng)關(guān)小閥門時(shí)，流量在達(dá)到Q2時(shí)，管路阻力所具有的特性曲線；曲線4主要表示泵在轉(zhuǎn)速達(dá)到n2時(shí)，流量Q和揚(yáng)程H之間的性能曲線；其中，A、B、C都是水泵運(yùn)行過程中的主要工況點(diǎn)。

圖1 變頻調(diào)速器的節(jié)能原理圖

泵消耗軸功率可以用以下關(guān)系式進(jìn)行表示

P=γQH/η

(5)

在該關(guān)系式當(dāng)中：流體容重主要使用γ進(jìn)行表示；泵的效率則主要使用η進(jìn)行表示。

根據(jù)公式(5)可以知道，軸功率和Q、H的乘積具有相應(yīng)的正比關(guān)系，因此在工況點(diǎn)A處，軸功率和Q1、H1的乘積面積之間具有正比關(guān)系。結(jié)合相關(guān)工藝要求進(jìn)行分析，如果流量從Q1減少到Q2時(shí)，采用閥門調(diào)節(jié)方法可以使管路阻力增加，進(jìn)而使得管路阻力特性曲線轉(zhuǎn)變?yōu)榍€3，系統(tǒng)也將會(huì)從原來的工況點(diǎn)A逐漸向工況點(diǎn)B進(jìn)行轉(zhuǎn)變。根據(jù)圖1可以發(fā)現(xiàn)，壓頭會(huì)增加成為H2，軸功率和面積BH2OQ2之間具有相應(yīng)的正比關(guān)系，這說明減少的程度并不大。如果對(duì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)進(jìn)行應(yīng)用，可以使轉(zhuǎn)速由原本的n1降低為n2，當(dāng)轉(zhuǎn)速在達(dá)到n2時(shí)，流量和揚(yáng)程之間的性能曲線則表示為曲線4，由此可以看出，當(dāng)流量相同時(shí)，壓頭H3降低的幅度相對(duì)較大，功率也有了明顯的減少，節(jié)省功率和面積BH2H3C之間具有正比關(guān)系，進(jìn)而存在顯著的節(jié)能效益。這說明，雖然轉(zhuǎn)速降低會(huì)導(dǎo)致效率降低，同時(shí)對(duì)附加控制裝置效率也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的影響，但仍然具有十分明顯的節(jié)電效果。除此之外，電機(jī)消耗功率不僅和泵有關(guān)，同時(shí)還與調(diào)速方法具有密切聯(lián)系。一旦電動(dòng)機(jī)滑差損耗相對(duì)較大，將會(huì)大大降低節(jié)電效果。變頻調(diào)速器作為高效的調(diào)速裝置，不同于液力耦合器調(diào)速和滑差調(diào)速，不會(huì)產(chǎn)生滑差損耗，其自身的固有損失僅僅達(dá)到1%～2%，所以變頻器的輸入功率無論速度如何，都與泵的軸功率比較相近。對(duì)泵流體機(jī)械的流量和轉(zhuǎn)速之間具有正比關(guān)系，軸功率和轉(zhuǎn)速立方則具有正比關(guān)系，所以得到以下關(guān)系式

P=(n/ne)3Pe=(Q/Qe)3Pe

(6)

式中：ne主要是指泵的額定轉(zhuǎn)速，Qe主要是指泵的額定流量，Pe主要是指泵的額定軸功率。

根據(jù)關(guān)系式(3)可以知道，在對(duì)變頻調(diào)速進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，變頻器的實(shí)際消耗功率可以通過以下關(guān)系進(jìn)行表示P變頻=P=(Q/Qe)3Pe

(7)

如對(duì)閥門調(diào)節(jié)進(jìn)行使用，電動(dòng)機(jī)消耗功率可以近似為P電=(0.4+0.6Q/Qe)Pe

(8)

根據(jù)關(guān)系式(7)和關(guān)系式(8)可以發(fā)現(xiàn)，如果流量Q轉(zhuǎn)變?yōu)轭~定流量的50%時(shí)，對(duì)變頻調(diào)速進(jìn)行應(yīng)用，其消耗功率可以達(dá)到0.125Pe。而對(duì)閥門調(diào)節(jié)流量的方式進(jìn)行采用時(shí)，電動(dòng)機(jī)消耗功率達(dá)到0.7Pe，節(jié)電率可以達(dá)到82.1%，具有十分可觀的節(jié)電效果。

4 結(jié)語

綜上所述，變頻技術(shù)在供暖系統(tǒng)中的具體應(yīng)用有突出的優(yōu)勢，所以全面地分析基于變頻技術(shù)的變頻器利用，對(duì)變頻器的應(yīng)用方法和整個(gè)過程作總結(jié)，這對(duì)于技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用而言有重要的指導(dǎo)作用。