摘 要：换热站循环水泵功率较大，有着总体节能空间较大、节能量较高的特点。随着热力行业的高速发展，信息化技术与自动化技术在热力行业应用的广泛性极为突出，其中水泵变频及效率监测系统在换热站应用，即可以实现水泵变频的调节，也可实时监测循环水泵的运行效率及运行状态，实现循环水泵调节监测的闭环应用。
水泵变频及效率监测系统的组成为仪表测量部分、变频电气部分、自控部分。仪表测量部分的作用为通过在换热站系统安装仪表，对流量、压力、电功率等数据进行测量；变频电气部分的作用为对循环水泵进行供电，并且通过变频器进行频率调节；自控部分的作用为对仪表数据进行采集，效率计算，同时根据流量设定值控制变频器的输出频率。
实际应用中，起到了验证水泵选型的合理性、及时发现循环水泵的故障问题、监控单台水泵的能耗、验证循环水泵出厂参数、监控循环水泵运行参数、监控循环水泵实际运行效率等作用。使工作人员及时了解水泵的运行状况，保证循环水泵高效并且健康的运行，同时可以监控单台水泵的能耗情况。
关键词：效率；变频调控、循环水泵；有效功率；输入功率
0 引言
冬季供暖问题是关系居民生活切身利益的大事，换热站在集中供热系统中起到极为重要的作用，将热源（电厂、锅炉房）的高温、高压热能转换为低温、低压热能，送到采暖用户家中，换热站的示意图见图1。循环水泵、补水泵、换热器作为换热站的主要设备，本文主要论述的是循环水泵变频控制系统及效率监测系统，补水泵、换热器等相关设备和系统在本文中不做论述。
图1
大部分供暖企业自负盈亏，既要使居民供暖温度达到标准又要降低运行成本，这就要求供暖企业选好设备，用好设备，尤为重要的是能够实时掌控设备的性能。
循环水作为换热站消耗电能的主要设备，它的功率较大，总体节能空间较大、总体节能量较高。需要循环水泵能耗进行精细化管理，根据供热系统工况，对循环泵运行频率进行调节，并对扬程、流量、运行效率进行监控，保证即满足供热需求，又在高效区运行。
随着热力行业的发展，信息化技术、自动化技术和变频技术在热力行业的应用，解决了换热站节能降耗实时调节、实时监控的难题，水泵变频及效率监测系统使循环水泵实现闭环运行。此系统使用了变频技术和水泵效率计算原理。
1 循环水泵变频技术原理
水泵调速的理论之一是水泵学比例律。由水泵学比例律可知，对于同一台水泵，当以不同转速运行时，水泵的流量Q，扬程H，轴功率P与转速n有如下关系：
公式1：Q1/Q2=n1/n2 公式2：H1/H2=(n1/n2)2 公式3：P1/P2=(n1/n2)3
流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。由此可见，使用变频技术降低转速时，流量及功率同时降低。
在换热站系统中，循环水泵作为主要调节设备，具体作用为将换热器、庭院管网、用户管网内水循环起来，将电能转换成水的动能，循环水泵输出了扬程，使水具有克服循环系统阻力的能量，产生了流量。循环水泵多采用变频器调速，在循环水泵变频柜中安装变频器，变频器改变循环水泵频率而达到无级调速的目的。循环水泵在换热站中的调节方式为：
换热站以质调节方式运行时，根据庭院管网、用户管网水力平衡调节或供热量调节的流量参数，作为热力站的供水流量设定值，循环水泵变频器控制循环泵转速，达到此流量，保障正常供热。
换热站以质量-流量调节方式运行时，变频器控制水泵转速，改变换热站供水流量，使供暖用户的散热设备的放热量与用户热负荷的变化规律相适应，达到热量供需平衡的目的。
2 水泵效率计算原理
循环水泵的效率反应循环水泵性能的好坏及能量利用的程度。效率越高，说明机械的品质越优良，所以效率是水泵的重要技术指标之一。它标志着水泵能量转换的有效程度，水泵的效率越高，表示水泵工作时的能量损失越小。
电功率不可能全部传递给输出的液体，其中必有一部分能量损失。水泵内能量损失可分为三部分，即水力损失、容积损失、机械损失及水泵电动机效率。
2.1水力损失和水力效率
水流经水泵的吸入室、叶轮、压出室时产生摩擦损失、局部损失和冲击损失。摩擦损失是水流与过流部件壁间的摩擦阻力引起的损失。局部损失是水流在泵内由于水流速度大小与方向发生变化引起的损失。冲击损失是泵在非设计工况下运行时水流在叶片入口处、出口处及压出室内引起的损失。水力损失越大，水泵的扬程越小。未考虑水泵内水力损失的扬程为理论扬程HT,则水泵扬程H与理论扬程HT之比，称为水力效率ηh。
2.2容积损失和容积效率
水流流过叶轮后，有一小部分高压水经过泵体内间隙(如减漏环)和轴向力平衡装置(如平衡孔)泄露到叶轮的进口，另外一部分从轴封装置处泄漏到泵体外，消耗了一部分能量，即容积损失。漏损q越大，水泵的出水量Q越小。通过水泵出口的流量Q与通过泵进口的流量Q+q之比 称为容积效率ηV。
2.3机械损失和机械效率
叶轮在液体中旋转时，前、后盖板外表面与液体产生摩擦损失(即轮盘损失)，泵轴转动时轴和轴封、轴承产生摩擦损失，克服摩擦损失消耗了部分能量，即机械损失，机械损失功率用 Pm表示。从泵的输入功率中扣除机械损失后，叶轮传递给液体的功率称水功率，用ηw表示。
2.4水泵电动机效率
水泵电动机作为将电能转换为机械能的电器，将电功率转换为水泵的轴功率，在转换过程中，有一部分能量损失。水泵电动机效率越高，能量损失越小。用ηd表示。
2.5水泵的效率是容积效率、水力效率、机械效率及水泵电动机效率的乘积。也可用水泵的输出功率与消耗的电能功率的比值来计算，具体计算公式为：
η=ρ×g×Q×H÷1000÷P （公式4）
（1）扬程H:水泵进出口扬程（m）；
（2）流量Q：热力站二次侧流量计数值（m3/s）；
（3）功率P:消耗的电能功率（Kw）；
（4）水的密度ρ：取值为103kg/m3；
（5）重力加速度g:取值为9.18m/s2；
（6）水泵效率η。
3水泵变频及效率监测系统原理
水泵变频及效率监测系统组成为仪表测量部分、变频电气部分和自控部分。仪表测量部分的作用为通过在换热站系统安装仪表，对流量、压力、电功率等数据进行测量；变频电气部分的作用为对循环水泵进行供电，并且通过变频器进行频率调节；自控部分的作用为对仪表数据进行采集，进行效率计算，同时根据流量设定值控制变频器输出频率。系统结构详见图2。
图2
3.1仪表测量部分
在换热站系统中安装了流量计、压力传感器，可事实监测水泵的扬程及流量，在变频柜上安装智能电表，可以实时监测水泵功率。以便对循环水泵效率实时监测，积攒数据进行性能评测。超声波流量计和压力变送器安装详见图2。
3.2变频电气部分
为实现换热站循环水泵变频调速，需要配置专用变频柜，变频柜内安装配电开关、变频器、启停接触器等电气元件，示意图见图3，变频柜具有以下功能：
（1）接收自控柜模拟量信号，变频调速。
（2）向自控柜反馈模拟量信号，实现闭环控制。
（3）变频器提供水泵超电流、接地、过热等保护。
（4）手动启停循环水泵。
（5）自动启停循环水泵。
（6）计量水泵功率及用电量。
3.3换热站自控系统
（1）自控柜组成及作用
自控柜由柜体、PLC、路由器、直流电源、端子排、触摸屏等设备组成，具体排布详见图4。
①柜体用于安装各种电气元件。
②PLC用于采集仪表数据、控制循环泵频率，并且计算效率。
③直流电源用于为仪表供电。
④触摸屏用于显示各仪表数据、水泵运行状态及水泵效率。
⑤路由器用于将数据远传至控制中心系统。
图3 图4
（2）循环泵频率控制及反馈
循环泵频率控制采用闭环的方式，自控柜根据循环水泵变频技术原理，输出0～10V电压信号，控制变频柜输出频率；同时接收4-20mA的反馈信号，判断频率是否达到设定值，详见图2。
（3）循环泵效率计算
自控柜通过信号线缆与流量计、压力变送器、变频柜等设备进行连接，对数据进行采集。并根据水泵效率计算原理中公式4对数据进行运算。
4水泵变频及效率监测系统在换热站的实际应用
在某换热站内安装了水泵变频及效率监测系统，根据供热量变化，实时调节循环水泵频率，同时监测循环水泵运行效率和运行参数，并对循环水泵的性能进行评测。下表为通过水泵变频及效率监测系统获得的频率在30hz、40hz、50hz的扬程、流量等参数。循环泵的额定流量为191.9 m3/h，额定扬程为34.5米。
根据上表的数据，评测得出循环水泵的运行性能。可得到以下几点结论：
（1）水泵实际运行效率验证了厂家提供参数的真实、可靠；
（2）水泵实际运行效率验证水泵在高效运行；
（3）通过水泵实时功率，监控水泵的耗电量；
（4）验证水泵选型的合理性，本循环水泵选型合理，满则供热系统对流量及扬程的需求，并且运行效率较高，本循环水泵适于本系统的运行工况；
（5）对水泵运行监控进行闭环管理，可实时对流量及扬程进行监控，有效防止水泵过载现象的发生，本供热系统流量与扬程小于水泵的额定流量与额定扬程，本循环水泵运行状态正常；
（6）对效率较低的非节能水泵进行重点监管，为采取的节能措施提供依据，促使水泵进行节能改造，从而达到节能的目的。
5 结束语
本文对水泵变频及效率监测系统原理进行了浅淡的说明，并结合实际应用，对水泵变频及效率监测系统的作用进行了分析，该系统具有以下作用，对供热量进行调节、验证水泵选型的合理性、对水泵运行监控进行闭环管理、对水泵不同阶段的运行效率进行监控等。换热站应用了此项技术，可进行供热调节，节省热能；保证循环水泵高效率运行，节省电能；对水泵节能起到监控作用，具有显著的社会效益与经济效益，其先进性与实用性应在行业里得到推广应用。
参考文献:
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