變速泵節能分析管理論文

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摘要

變速泵在開式和閉式管路中的節能效果不同，引起這種差別的原因是開式系統受水的靜壓作用改變了泵的效率。分析了開式管路系統中變速泵的節能效果并給出了計算實例。

關鍵詞：變速泵/節能/開式系統

Abstract

Theeffectsofenergysavingofvariablespeedpumpsintheclosedcircuitisdifferentfromthoseintheopenpipelinesystem.Thereasonisthatthereisastaticheadintheopensystemcausingthepumpefficiencyvarying.Analysestheenergysavingeffectsofvariablespeedpumpsinopensystemsandprovidescalculationexamples.

Keywords：variablespeedpump/energysaving/opensystem

0引言

變速泵在空調供暖系統中的應用，對于改善系統調節性能、節省運行費用發揮了很大作用。在閉式循環系統中，其節能效果非常明顯，因此得到廣泛的應用。目前在不少開工系統中，也使用了變速泵，例如在供暖補水泵定壓系統中，補水泵也采用了變速調節。由于水的重力作用，在閉式系統與開式系統中，采用變速泵的節能效果顯然不同。隨著開式系統水提升高度的增加，變速泵的節能效果進下降低，在流量變化大的閉式系統中應用變速泵肯定有明顯的節能效果，但在開式系統中采用變速泵是否節能，要根據管路的實際情況從投資和運行費用角度綜合分析。

1基本方程

1．1泵的相似工況

由泵的相似定律（1）

即

有（2）

式中p1，p2,分別為轉速n1，n2下泵的揚程，G1，G2分別為轉速n1，n2下泵的流量，N1，N2分別為轉速n1，n2下泵的功率，C為常數。

式（2）表明，只要泵在轉速n1下的工作點A和轉速n2下的工作點B（簡稱工況A，B）相似，則泵揚程與流量平方的比值是一個常數；同時可以得知，如果兩個工相似，則這兩個工況下泵的效率必然相同。實際上，式（2）也表示了泵的等效率曲線式

（3）

在一定轉速下，泵的工作點管路阻力的變化而變化。對于某一確定的管路，常數C可用式（2）求得。式（2）還表明，即使泵的工作點隨著運行情況變化，但只工作點在該曲線上，則泵的效率就不會發生變化。

1．2變速泵節能分析

泵的轉速泵從n1從調整到n2后泵的軸功率從N1，變到N1，由軸功率知，若把水看成不可壓縮流體，則在工況A，B下功率之比為

（4）

如果工況A，B在等效率曲線上，則ηa=ηb，且。也就是說，式（1）成立的條件必須是泵的工作點A，B均在等效率曲線上。

1．3管路水力特征

管路系統A，B兩點間流動的壓力總損失pab與流量G存在著上述特征關系

pab=po+SG2（5）

式中po為A與B兩點間水的靜壓。閉式管路系統的終點和起點生命，因此po=0；開式管路系統的終點和起點不重合，且一般情況下A，B兩點之間的壓差不0。S為管路阻力系數，在水管路系統中可以認為S值的大小與流量無關而僅與管路結構有關，因此對于一個具體的管路系統而言，S是一個不隨流量變化的常數值。記SG2=Δp，它表示了流體磨擦阻力的大小與流量的平方成正比；當知道了管路結構后就可以求得po和S值，從而由式（5）得到管路的特征曲線。

2閉式系統中變速泵的節能分析

在閉式系統中，泵作功所輸出的能量完全消耗在克服水在管路中流動時的磨擦阻力，也就是說泵的揚程p等于整個管路的壓降。這樣，當流量發生變化后，泵的能耗自然也成比例地變化。

2．1泵與管路聯合工作點

泵的工作點為泵的特征曲線與管路特征曲線的交點，如圖1所示的閉式管路系統中的A點，其對應的流量、壓力及效率分別為Ga,pa及ηa。圖中效率曲線η是針對轉速n1而言的。

閉式管路中流動阻力損失等于泵的揚程，即Δp=p，且po=0，則由式（5）有

（6）

對比式（2）與式（6）不難發現C=S，這表明在閉式管路系統中泵的等效率曲線與管路特征收與管路特曲線完全重合。把該管路的阻力系統記作，則C=Sa，因此泵的等效率曲線方程和管路特征曲線均為p=SaG2。當泵轉速從n1變到n2時，泵的工作點從A點變到B點，B點仍在管路特征曲線上。由于泵的等效率曲線與管路特征曲線重合，則泵在A，B兩點的效率ηa=ηb，這是閉式管路系統所具有的特點。

2．2變速泵的節能

當泵轉速從n1調整到n2后，泵的特征曲線變化如圖1所示。在ηa=ηb的條件下，由式（4）知A，B工況功率之比為

（7）

也就是說，泵的功率與轉速的三次方成正比。因此在閉式水系統中變速泵的節能效果是非常明顯的。

3開式管路系統中變速泵的節能分析

一供熱系統如圖2所示，使用高位膨脹水箱定壓。該供熱系統中，補水泵在開式管路系統中運行，而循環泵則在閉式管路系統中運行。當用戶熱負荷發生變化后，如使用中央量調、循環泵為變速泵，如上分析則循環泵所消耗的功率與轉速的三次方成比。但補水泵在開式管路系統內，當補水量發生變化且補水泵亦為變速泵時，泵轉速變化后泵所消耗的功率并非與轉速的三次方成正比，因為受到了開式管路系統進出口高差H的影響。

3．1開式管路系統水力特性

開式管路中泵的提供的揚程一方面消耗在克服流動阻力上，另一方面還消耗在提升水的高度上。如圖2，式（5）所示壓力總損失p=po+SG2中的po即時H=20m帶來的靜壓。知道管路結構后即可求得管路的阻力系數S值。因此，知道po和S后就可以畫出管路特征曲線，如圖3所示。由泵的特征曲線和管路特征曲線的交點得到泵在轉速n1下的工作點A，從而得到A點的流量Ga及泵的揚程pa，此處pa即為式（5）中的pab。為表示明確，管路的阻力系數也可寫為：

（8）

3．2開式管路中變速泵的等效率曲線

為分析比較方便，設開式管系統中變速泵在轉速n1的工作點A與閉式管路系統相同，如圖3。當補水量發生變化后泵的轉速從n1變到n2，此時泵的工作點沿著管路特征曲線從A變到B′點，B′點所對應的流量和壓力為Gb′，pb′。泵在B′點效率η′b并不一定等于A點的效率ηa，因為A，B′兩個工況并不相似。

如上分析在閉式管路中過A點的等效率曲線方程中C=Sa，作p=SaG2曲線與泵在n1下的性能曲線之交點得到對應的效率ηa。在開式管路系統中等效率曲線式（3）中的p此時對應pab，同樣把式（3）中的常數C記作Ca，則。但開式管路系統的阻力系統數，因為p0≠0，所以Ca≠S0。也就是說在p0≠0的開式管路系統中泵的等效率曲線與管路特征曲線不重合。把A，B′點的等效率曲線常數：

（9）

（10）

已知Gb′后可以由等效率曲線方程p=Gb′G2得到過程B′點的等效率曲線，該等效率曲線與轉速n1下的泵性能曲線交點為B′′，由B′′得到此時泵在轉速n1下的效率η′b，如圖3。

3．3節能分析

在泵轉速從n1調整到n2后，把A，B′工況對應的Ga，pa，ηa及Gb′，pb′，η′b值代入式（4），即得到節能比。需要注意，即使假設此時ηa=ηb，轉速變化后的節能比也只能由求得，而不等于。因為在開式管路系統中po≠0，A，B′點不在等效率曲線上，因此不能直接使用式（1）。

1|2

4算例

可以用解析法或作圖法來求解。假設泵在n1下的性能曲線方程為p=α0+α1G+α2G2,則在n2下的方程為p=α0′+α1′G+α2′G2,其中α0，α1，α2為已知系數α0′=α0k2，α1′=α1k，α2′=α2，轉速比。根據上兩式及式（5）、（6）、（7）、（9）及（4）聯立即可求得相應的數值，本文利用作圖法求解，以便于理解。

4.1閉式系統

如圖2所示閉式管路系統中循環泵，設轉速n1=1100r/min調整到n2=860r/min，工作點分別為A，B。由圖1得A點Ga=12.85m3/h，pa=330.2kpa，ηa=0.75，B點Gb=10.05m3/h，pb=201.7kpa，則由式（3）得功率比。

4．2開式系統中保持轉速n2與閉式系統的轉速相同

如圖2，補水泵在開式管路系統中，同樣，泵轉速從1100r/min調整到n2=860r/min，即n2相同，工作點由A變到B′，由圖3知B′點的Gb′=5.95m3/h，p′b=227.8kPa.由式（10）得到過B′點的等效率曲線系數Gb′=0.643，等效率曲線p=0.643G2與轉速n1下的泵性能曲線的交點為B′′，B′′對應的效率ηb′=60%。因此在A，B′兩工況下的功率。泵在A，B′兩點效率不同對節能的影響不可忽視，如果不計泵效率的變化，則。與實際值的相對偏差為20%，而這一點往往容易被忽略。

4．3開式系統中，保持流量Gb′與閉式系統的流量相同

當n2相同時，開式系統B′點的流量Gb′肯定小于閉式系統B點的流量Gb。假若仍希望Gb′=Gb=10.05m3/h，則閉式、開式系統的n2肯定不相同。如圖4，當開式系統的轉速調整到n2′=998r/min時，則Gb′=10.05m3/h，此時閉式系統n2=860r/min下的流量相同，閉式系統的等效率曲線為過A，B的曲線，而開式系統的等效率曲線為過B′，B′′的曲線。從圖4可以求得，閉式系統在轉速n2=860r/min下所對應的效率為0.75，開式系統在轉速n2′=998r/min時所對應的效率為0.68。據式（4）知，。因此，對于開式、閉式系統當流量均從12.85m3/h變到10.05m3/h時，開式系統節能效果只有閉式系統的73%。

5結論

5．1在開式管路系統中，泵變速前后工作點A，B′并不在同一等效率曲線上，因此A，B′點所對應的效率不相等。在分析變速泵的節能效果時，應考慮效率不同所帶來的影響。

5．2在閉式和開式管路系統中，泵轉速雖然都是從n1變到n2，但兩者的節能效果并不相同。在本文的算例中，閉式系統中泵的節能效率47.8%，而開式系統中節能效率為39.9%。這主要是由于開式系統受靜水壓p0的影響。如果p0=0，則節能效率相同；p0值越大，兩者的節能效果差別也就越大。

5．3在閉式和開式管路系統中，如果保持變速前后的流量都相同，則開式系統的節能效果要小于閉式系統，p0越大，開式系統節能效果越差。

參考文獻

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