供水系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能改造的可行性研究
2014/4/1 12:12:12??????點(diǎn)擊：
風(fēng)機(jī)和水泵在國民經(jīng)濟(jì)各部門的數(shù)量眾多，分布面極廣，耗電量巨大。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，全國風(fēng)機(jī)、水泵電動機(jī)裝機(jī)總?cè)萘考s為35000MW，耗電量約占全國電力消耗總量的40%左右。目前，風(fēng)機(jī)水泵的耗電量中還有很大的節(jié)能潛力，其潛力挖掘的焦點(diǎn)是提高風(fēng)機(jī)和水泵的運(yùn)行效率。據(jù)估計(jì)，提高風(fēng)機(jī)和水泵系統(tǒng)運(yùn)行效率的節(jié)能潛力可達(dá)300～500億kW·h/年，相當(dāng)于6～10個裝機(jī)容量為1000MW級的大型火力發(fā)電廠的年發(fā)電總量。
離心式的風(fēng)機(jī)水泵的負(fù)載特性屬平方轉(zhuǎn)矩型的負(fù)載，即其軸上需要提供的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比。風(fēng)機(jī)水泵在滿足三個相似條件：幾何相似、運(yùn)動相似和動力相似的情況下遵循相似定律；對于同一臺風(fēng)機(jī)（或水泵）。當(dāng)輸送流體的密度ρ不變僅轉(zhuǎn)速改變時(shí)，其性能參數(shù)的變化遵循比例定律：流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比；壓頭（揚(yáng)程）與轉(zhuǎn)速的二次方成正比；軸功率則與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。如果水泵轉(zhuǎn)速是其額定轉(zhuǎn)速的50%時(shí)，則功耗只有額定值的12.5%，節(jié)能率可達(dá)87.5%。
果真如此嗎？否。風(fēng)機(jī)水泵比例定律的三大關(guān)系式的使用是有條件的，在實(shí)際使用中，風(fēng)機(jī)水泵由于受系統(tǒng)參數(shù)和運(yùn)行工況的限制，并不能簡單地套用比例定律來計(jì)算調(diào)速范圍和估算節(jié)能效果，而應(yīng)將實(shí)際工況轉(zhuǎn)化為相似工況后，才能用比例定律進(jìn)行計(jì)算。其結(jié)果的差別還是很大的。作為變頻器的生產(chǎn)廠家，特別是專門研究變頻控制的專家學(xué)者，必須明明白白地告訴用戶，風(fēng)機(jī)水泵的變頻節(jié)能到底是怎么一回事，而不能有意無意地誤導(dǎo)讀者，片面夸大節(jié)能效果。
[B]2 風(fēng)機(jī)水泵的相似定律[/B]
[B]2.1 風(fēng)機(jī)（水泵）的幾何相似，運(yùn)動相似和動力相似[/B]
兩臺泵（風(fēng)機(jī)）若幾何相似，就是說它們的形狀完全相同，只是大小不同，其中一臺泵（風(fēng)機(jī)）相當(dāng)于另一臺泵（風(fēng)機(jī)）按一定比例的放大或縮小。舉個形象的例子：兩張不同比例尺的中國地圖，它是幾何相似的，但大小相差一定的倍數(shù)。應(yīng)指出的是：本書所說的兩泵（風(fēng)機(jī)）幾何相似，是指通流部分的幾何相似，并不是要求泵（風(fēng)機(jī)）之間的輪廓外形也必須幾何相似。
兩臺泵（風(fēng)機(jī)）的運(yùn)動相似是指兩臺幾何相似泵（風(fēng)機(jī)）通流部分各對應(yīng)點(diǎn)的速度三角形相似。顯然，只有當(dāng)兩臺泵（風(fēng)機(jī)）的通流部分幾何相似，才有可能運(yùn)動相似，但滿足幾何相似條件的，不一定滿足運(yùn)動相似的條件，只有當(dāng)兩臺幾何相似泵（風(fēng)機(jī)）都在相似工況點(diǎn)運(yùn)行時(shí)（例如：都運(yùn)行在最高效率工況點(diǎn)時(shí)），才是運(yùn)動相似，所以運(yùn)動相似又稱工況相似。
兩臺風(fēng)機(jī)（水泵）的動力相似則是指作用于兩臺泵（風(fēng)機(jī)）內(nèi)各對應(yīng)點(diǎn)上力的方向相同，大小成比例。作用于泵（風(fēng)機(jī)）內(nèi)流體的力主要有慣性力、粘性力的總壓力。因此，為使泵（風(fēng)機(jī)）中的動力相似，必須對應(yīng)點(diǎn)上的慣性力與彈性力（或壓力與密度）之比相等，慣性力與粘性力之比相等。
[B]2.2 離心式風(fēng)機(jī)（水泵）的相似定律[/B]
葉片式泵與風(fēng)機(jī)的相似定律是兩臺泵（或風(fēng)機(jī)）在滿足幾何相似和運(yùn)動相似的前提下導(dǎo)出的。它給出幾何相似的泵（或風(fēng)機(jī)），在相似工況點(diǎn)的流量之間、揚(yáng)程（或全壓）之間、功率之間的相互關(guān)系為：
即把泵的線性尺寸幾何相似地均放大一倍時(shí)，對應(yīng)工況點(diǎn)的流量、揚(yáng)程、軸功率將各增到原來的8倍、4倍和32倍。
例2 某臺離心式風(fēng)機(jī)采用變速調(diào)節(jié)方式，當(dāng)其轉(zhuǎn)速降低到原來額定轉(zhuǎn)速的一半時(shí)，其對應(yīng)工況點(diǎn)的流量、全壓、軸功率各降到原額定轉(zhuǎn)速時(shí)的多少倍？（設(shè)氣體密度不變）
解 由比例定律式（7）~式（9）得
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即當(dāng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低到原額定轉(zhuǎn)速的一半時(shí)，對應(yīng)工況點(diǎn)的流量、全壓、軸功率各下降到原來的1/2、1/4和1/8，換句話說，用變速調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)流量可使軸功率值大大下降，這也就是變速調(diào)節(jié)方式可以大幅度節(jié)電的原因。
應(yīng)該指出的是本題中的n＇/n=2＞1.3，所以計(jì)算的結(jié)果可能會有一定誤差。
例3 已知Y4-73No28型鍋爐引風(fēng)機(jī)在抽送140oC的煙氣時(shí)所需的軸功率為636kW，試問若用以輸送20oC的空氣時(shí)所需的軸功率為多少？已知煙氣在140oC時(shí)的密度為0.85kg/m3，空氣在20oC時(shí)的密度為1.2kg/m3。
解 由相似定律（3-8）得在20oC空氣時(shí)風(fēng)機(jī)所消耗的軸功率p為：
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故在考慮引風(fēng)機(jī)電動機(jī)的功率時(shí)，應(yīng)注意到引風(fēng)機(jī)在冷態(tài)起動時(shí)所需的軸功率值。
2.3 求出幾何相似風(fēng)機(jī)（水泵）之間的相似工況點(diǎn)。
相似定律只適用于幾何相似泵（風(fēng)機(jī)）對應(yīng)工況點(diǎn)之間的關(guān)系，因此，在應(yīng)用相似定律之前，需要先找到對應(yīng)工況點(diǎn)關(guān)系。對應(yīng)工況點(diǎn)又稱相似工況點(diǎn)，可以通過下面兩種方法求幾何相似泵（風(fēng)機(jī)）的相似工況點(diǎn)。
（1） 根據(jù)相似工況點(diǎn)的效率相等求相似工況點(diǎn)間的關(guān)系，相似定律式（4）~式（6）是在假設(shè)相似工況點(diǎn)各效率對應(yīng)相等的前提下得出的，這就是說，相似工況點(diǎn)的效率必相等。下面根據(jù)這一思路求相似工況點(diǎn)間的關(guān)系。兩臺幾何相似泵（風(fēng)機(jī)）的最高效率是相等的，且每臺泵（風(fēng)機(jī)）都只有一個最高效率點(diǎn)，所以各幾何相似泵（風(fēng)機(jī)）的最高效率點(diǎn)是相似工況點(diǎn)；進(jìn)一步看，在各幾何相似泵（風(fēng)機(jī)）的性能曲線上最高效率點(diǎn)的右側(cè)（大流量側(cè)）也彼此有一個效率相等的工況點(diǎn)，它們也都是相似工況點(diǎn)，同理在最高效率的左側(cè)（小流量側(cè)），又可找到彼此效率相等的相似工況點(diǎn)。
（2） 求出各相似工況點(diǎn)的連接曲線——相似拋物線。下面以求同一臺泵在轉(zhuǎn)速變化時(shí)的相似拋物線為例說明，若某泵在額定轉(zhuǎn)速n下某工況點(diǎn)的流量為q＇v，揚(yáng)程為H＇，需要求當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，與其對應(yīng)的各相似工況點(diǎn)。設(shè)與工況點(diǎn)（q＇v,H＇）對應(yīng)各相似工況點(diǎn)的流量為qv，揚(yáng)程H，qv與H隨著轉(zhuǎn)速的變化而改變。因?yàn)橄嗨乒r點(diǎn)間都滿足相似定律和比例定律，故由式（7）qv/q＇v=n/n＇與式（8）H/H＇=（n/n＇）2聯(lián)立求解，消去轉(zhuǎn)速比n/n＇項(xiàng)得：
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式（10）即為一條經(jīng)額定轉(zhuǎn)速n某工況點(diǎn)（q＇v ,H＇）的相似拋物線。其上各點(diǎn)為變轉(zhuǎn)速時(shí)的各相似工況點(diǎn)。如圖1所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速為n1、n2……時(shí)，對應(yīng)的相似工況點(diǎn)為（qv1,H1）、（qv2,H2）······。
圖1 過（q＇v,H＇）點(diǎn)的相似拋物線.
同理，（通）風(fēng)機(jī)變轉(zhuǎn)速時(shí)，過（q＇v,p＇）點(diǎn)的相似拋物為
[B]2.4. 風(fēng)機(jī)（水泵）的轉(zhuǎn)速變化時(shí)，風(fēng)機(jī)（水泵）裝置的運(yùn)行參數(shù)將如何變化？[/B]
風(fēng)機(jī)與水泵轉(zhuǎn)速變化時(shí),其本身性能曲線的變化可由比例定律q＇v/qv=n＇/n,H＇/H=(n＇/n)2[或p＇/p=(n＇/n)2]作出，如圖2所示。因管路性能曲線不隨轉(zhuǎn)速變化而變化，故當(dāng)轉(zhuǎn)速由n變至n/時(shí)，運(yùn)行工況點(diǎn)將由M點(diǎn)變至M/點(diǎn)。
圖2轉(zhuǎn)速變化時(shí)風(fēng)機(jī)（水泵）裝置運(yùn)行工況點(diǎn)的變化
(a)泵（當(dāng)管路靜揚(yáng)程Pst≠0時(shí)）； （b）風(fēng)機(jī)（當(dāng)管路靜壓Pst=0時(shí)）
應(yīng)注意的是：當(dāng)管路性能曲線的靜揚(yáng)程（或靜壓）不等于零時(shí)，即Hst≠0（或Pst≠0）時(shí)，轉(zhuǎn)速變化前后運(yùn)行工況點(diǎn)M與M＇不是相似工況點(diǎn)，故其流量、揚(yáng)程（或全壓）與轉(zhuǎn)速的關(guān)系不符合比例定律，不能直接用比例定律求得。但當(dāng)管路性能曲線的靜揚(yáng)程（或靜壓）等于零時(shí)，即HST=0（或PST=0）時(shí)，管路性能曲線是一條通過坐標(biāo)原點(diǎn)的二次拋物線，它與過M點(diǎn)的變轉(zhuǎn)速時(shí)的相擬拋物線重合，因此，M與M＇又都是相似工況點(diǎn)，故可用比例定律直接由M點(diǎn)的參數(shù)求出M＇點(diǎn)的參數(shù)。
例4 某鍋爐給水泵裝置的性能曲線如圖3所示，其在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行工況點(diǎn)為M，相應(yīng)的qv.M=380m3/h。現(xiàn)欲通過變速調(diào)節(jié)，使新運(yùn)行工況點(diǎn)M＇的流量減為190m3/h ，試問其轉(zhuǎn)速應(yīng)為多少？（額定轉(zhuǎn)速為2950r/min）
解 變速調(diào)節(jié)時(shí)管路性能曲線不變，而泵的運(yùn)行工況點(diǎn)必在管路性能曲線上，故M＇點(diǎn)可由qv.M/=190m3/h處向上作垂直線與管路性能曲線相交得出（見圖3），由圖可讀出M＇點(diǎn)的揚(yáng)程HM/=1670m。M/與M不是相似工況點(diǎn)，需在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的H-qv 曲線上找出M＇的相似工況點(diǎn)A，以便求出M＇的轉(zhuǎn)速。過M/點(diǎn)作相似拋物線，由式（10）得
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圖3某給水泵裝置的性能曲線和管路性能曲線
為把相似拋物線作到圖3-4上，上式（H=0.046q2v）中H與qv的關(guān)系列表如下：
qv(m3/h) 0 100 200 220 240
H(m) 0 460 1840 2226 2650
把列表中數(shù)值作到圖3上，此過M＇點(diǎn)的相似拋物線與額定轉(zhuǎn)速下H-qv相交于A點(diǎn)。由圖可讀出 qvA=227m3/h，HA=2360m，故得
上述兩式得出的結(jié)果略有不同是因作圖及讀數(shù)誤差引起的。
從計(jì)算結(jié)果知，此泵裝置因管路靜揚(yáng)程Hst很高，故當(dāng)流量減少到原流量的50%時(shí)，其轉(zhuǎn)速只降到原轉(zhuǎn)速的2469/2950 =83.7%，而不是50%。
泵或風(fēng)機(jī)系統(tǒng)管路性能曲線中靜揚(yáng)程（靜壓）所占比例的大小，與調(diào)速裝置節(jié)能效果的大小相關(guān)。當(dāng)靜揚(yáng)程所占比例很大時(shí)，即使泵系統(tǒng)的工作流量變化很大，但調(diào)速裝置的轉(zhuǎn)速變化范圍并不大，結(jié)果變速調(diào)節(jié)的節(jié)能效果也不大。這是因?yàn)殪o揚(yáng)程（靜壓）不等于零時(shí)，管路性能曲線與變轉(zhuǎn)速時(shí)的相似拋物線不重合，故變速前后各工作點(diǎn)間的關(guān)系并不符合比例律，即流量比不等于轉(zhuǎn)速比。當(dāng)靜揚(yáng)程（靜壓）為正值時(shí)，流量比恒大于轉(zhuǎn)速比。例如DG500-180型鍋爐給水泵，其最高轉(zhuǎn)速n=2950r/min，相應(yīng)qv=500m3/h,H=1800m。若泵系統(tǒng)的靜揚(yáng)程Hst=1500m。則變速調(diào)節(jié)流量至60%最大流量（300m3/h）時(shí)，相應(yīng)轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速的89%（2625r/min）。可見這比靜揚(yáng)程為零時(shí)流量比為60%時(shí)，轉(zhuǎn)速比也為60%時(shí)要高多了。因此，管路性能曲線的靜揚(yáng)程越高，則變速調(diào)節(jié)流量時(shí)，其軸功率的減少值也越小。如圖4所示某離心泵在不同靜揚(yáng)程下采用變速調(diào)節(jié)及出口閥門調(diào)節(jié)方式時(shí)流量比qv/qvn和所消耗軸功率比P/Pn的關(guān)系。
所以說，對于有較大靜揚(yáng)程的泵或風(fēng)機(jī)，只用工作流量變化范圍大小確定節(jié)能效益的大小就不正確了，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)速變化范圍確定節(jié)能效益的大小才是正確的。
圖4 泵系統(tǒng)在不同靜揚(yáng)程下的軸功率流量特性
圖中——線轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)； ······線出口閥門調(diào)節(jié)
例5 若例4中的鍋爐給水泵電動機(jī)的額定功率為2300kW，額定轉(zhuǎn)速時(shí)的實(shí)際出力為2000kW，試估算其節(jié)能效果。
由圖3可以看出，此給水泵的出口壓力為25MPa，鍋爐氣包壓力為15MPa，由上例計(jì)算結(jié)果，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到2469r/min，即額定轉(zhuǎn)速的83.7%時(shí)，流量為190t/h， 即額定流量的50%，壓力為16.7MPa，略高于鍋爐汽包壓力，為了保證汽包順利進(jìn)水，轉(zhuǎn)速已不能再下降了。所以其調(diào)速范圍為83.7%~100%，根據(jù)式（9）P/P＇=(n/n＇)3，其軸功率P＇=1173kW，最大節(jié)能率為41.4%。
若給水泵的流量余量以15%計(jì)算，當(dāng)流量為190t/h時(shí)，鍋爐的負(fù)荷約為58.8%左右。作為一般的機(jī)組，也已經(jīng)接近最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷了。正巧，由以上計(jì)算數(shù)據(jù)看出，給水泵的調(diào)速能耗率與鍋爐的負(fù)荷率是基本一致的，也即能耗與流量的一次方成正比。所以，可依據(jù)鍋爐的負(fù)荷率來粗略估算給水泵的調(diào)速節(jié)能率。
電站水泵的靜揚(yáng)程都不等于零，所以其調(diào)速范圍和節(jié)能效果都不能簡單地采用比例定律計(jì)算，都要先求出相似曲線，然后才能進(jìn)行計(jì)算。除了鍋爐給水泵外（汽包壓力為其靜揚(yáng)程），對循環(huán)水泵則水塔高程為其靜揚(yáng)程，對于凝結(jié)水泵，凝結(jié)水出口母管壓力為其靜揚(yáng)程。因?yàn)槟Y(jié)水泵除了調(diào)節(jié)凝汽器熱井水位恒定外，還要保證凝結(jié)水出口母管壓力足夠大（一般＞0.75MPa），以防止空氣由排水閥經(jīng)凝結(jié)水再循環(huán)管進(jìn)入凝汽器中，而破壞汽輪機(jī)真空。
電站風(fēng)機(jī)，則由于其靜壓很小，所以可以直接用比例定律估算其調(diào)速范圍和節(jié)能效益，只是要求以輸出風(fēng)壓作為調(diào)速范圍的校驗(yàn)指標(biāo)。
3 風(fēng)機(jī)水泵的并聯(lián)運(yùn)行
泵或風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的主要目的是增大所輸送的流量。但流量增加的幅度大小與管路性能曲線的特性及并聯(lián)臺數(shù)有關(guān)。圖5所示為兩臺及三臺性能相同的20Sh-13型離心泵并聯(lián)時(shí)，在不同陡度管路性能曲線下流量增加幅度的情況，從圖可見，當(dāng)管路性能曲線方程為Hc=20+10q2v時(shí)（qv單位為m3/s），從圖中查得：
一臺泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)：qv1=730L/s(100%)
兩臺泵關(guān)聯(lián)運(yùn)行時(shí)：qv2=1160L/s(159%)
三臺泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)：qv3=1360L/s(186%)
當(dāng)管路性能曲線方程為Hc=20+100q2v時(shí)，從圖可查出：
一臺泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)：qv1=450L/s(100%)
二臺泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)：qv1=520L/s(116%)
三臺泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)：qv1=540L/s(120%)
[center]圖5不同陡度管路性能曲線對泵并聯(lián)效果的影響[/center]
比較兩組數(shù)據(jù)可以看出：管路性能曲線越陡，并聯(lián)的臺數(shù)越多，流量增加的幅度就越小。因此，并聯(lián)運(yùn)行方式適用于管路性能曲線不十分陡的場合，且并聯(lián)的臺數(shù)不宜過多。若實(shí)際并聯(lián)管路性能曲線很陡時(shí)，則應(yīng)采取措施，如增大管徑、減少局部阻力等，使管路性能曲線變得平坦些，以獲得好的并聯(lián)效果。
3.1. 如何作出并聯(lián)泵（或風(fēng)機(jī)）的性能曲線（H-qv）或（P-qv）
兩臺或兩臺以上泵（風(fēng)機(jī)）向同一壓出管路壓送流體的運(yùn)行方式稱為并聯(lián)運(yùn)行，如圖6（a）所示。
圖6兩泵并聯(lián)及并聯(lián)性能曲線(H-qv)并
（a）兩臺泵并聯(lián)示意圖；（b）并聯(lián)性能曲線作法。
泵（或風(fēng)機(jī)）并聯(lián)運(yùn)行的基本規(guī)律是：并聯(lián)后的總流量應(yīng)等于并聯(lián)各泵流量之和；并聯(lián)后產(chǎn)生的揚(yáng)程與各泵產(chǎn)生的揚(yáng)程都相等。因此，泵（風(fēng)機(jī)）并聯(lián)合成后的性能曲線(H-qv)并或(P-qv)并的作法是：把并聯(lián)各泵（或風(fēng)機(jī)）的（H-qv）或（p-qv）曲線上同一揚(yáng)程（或全壓）點(diǎn)上流量值相加，以圖6兩臺泵并聯(lián)為例，先把這兩臺泵的性能曲線（H-qv）i和(H-qv)a以相同的比例尺繪在同一坐標(biāo)圖上，然后把各個同一揚(yáng)程值的流量分別相加，如圖6所示，取揚(yáng)程值為H、H＇、H〃、……，對應(yīng)于（H-qv）i和（H-qv）a，上分別為1、1＇、1〃……和2、2′、2″……取qv1+ qv2、qv＇1+ qv＇2、qv〃1+ qv〃2……得3、3′、3″……連接3、3′、3″……各點(diǎn)即得合成后泵并聯(lián)性能曲線(H-qv)并，同法可得風(fēng)機(jī)并聯(lián)性能曲線。
3.2. 當(dāng)并聯(lián)泵（或風(fēng)機(jī)）中的一臺進(jìn)行變速調(diào)節(jié)時(shí)，如何確定并聯(lián)運(yùn)行工況點(diǎn)？
如圖7所示，Ⅰ、Ⅱ兩臺性能相同的泵并聯(lián)運(yùn)行。但泵Ⅰ與泵Ⅱ有一臺為變速泵，另一臺為定速泵。當(dāng)變速泵與定速泵以相同的額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí),Ⅰ和Ⅱ的并聯(lián)性能曲線(H-qv)并為Ⅲ，并聯(lián)運(yùn)行工況點(diǎn)為M。但當(dāng)變速泵的轉(zhuǎn)速降低時(shí)，并聯(lián)性能曲線變?yōu)槿鐖D7中的虛線所示，其并聯(lián)運(yùn)行工況點(diǎn)也相應(yīng)地變?yōu)镸′、M″、……
從圖7可以看出，當(dāng)變速泵的轉(zhuǎn)速降低時(shí)，變速泵的流量減小，但定速泵的流量卻增大。當(dāng)變速泵的轉(zhuǎn)速降低到某一轉(zhuǎn)速值時(shí)，其輸出流量為零，這時(shí)并聯(lián)運(yùn)行實(shí)際上相當(dāng)于一臺定速泵單獨(dú)運(yùn)行。若變速泵轉(zhuǎn)速進(jìn)一步降低，且變速泵出口管路又未設(shè)置逆止閥時(shí)，就會出現(xiàn)定速泵部分流量向變速泵倒灌，這種現(xiàn)象在實(shí)際上是不容許產(chǎn)生的。從圖可見，當(dāng)變速泵的轉(zhuǎn)速由額定轉(zhuǎn)速降低到該泵輸出流量為零的轉(zhuǎn)速時(shí)，定速泵的流量將由qvN增大到qvB，這可能會導(dǎo)致定速泵產(chǎn)生過載或泵內(nèi)汽蝕。為防止定速泵的過載和汽蝕，可在定速泵出口管路設(shè)置調(diào)節(jié)閥，必要時(shí)控制其流量。
4 供水系統(tǒng)的水泵運(yùn)行工況分析
4.1多泵并聯(lián)運(yùn)行
一般的供水系統(tǒng)都采用多臺泵并聯(lián)運(yùn)行的方式，并且采用大小泵搭配使用，目的是為了靈活地根據(jù)流量決定開泵的臺數(shù)，降低供水的能耗。供水高峰時(shí)，幾臺大泵同時(shí)運(yùn)行，以保證供水流量；當(dāng)供水負(fù)荷減小時(shí)，采用大小泵搭配使用，合理控制流量，晚上或用水低谷時(shí)，開一臺小泵維持供水壓力。
多臺并聯(lián)運(yùn)行的水泵，一般采用關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程（或最大揚(yáng)程）相同，而流量不同的水泵。這些泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，每臺泵的出口壓力即為母管壓力，且一定大于每一臺泵單泵運(yùn)時(shí)的出口壓力（或揚(yáng)程）：
HN=HA2=HB2=HC2……＞HA1、HB1、HC1……
并聯(lián)運(yùn)行泵的總出口流量為每臺泵出口流量之和，且每臺泵的流量一定小于該泵單泵運(yùn)行時(shí)的流量：
QN=QA2＋QB2＋QC2……＜QA1＋QB1＋QC1＋……
若并聯(lián)運(yùn)行的泵的揚(yáng)程不同，則在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)揚(yáng)程低的泵的供水流量會比單泵運(yùn)行時(shí)減小很多。當(dāng)管網(wǎng)阻力曲線變化時(shí)，容易發(fā)生不出水和汽蝕現(xiàn)象。
4.2靜揚(yáng)程對調(diào)速范圍的影響。
供水系統(tǒng)的靜揚(yáng)程H0，即供水母管的最小壓力（水泵在靜揚(yáng)程下消耗的功率稱為空載功率：在流量為零時(shí)，水泵所消耗的最大功率）。十分明顯的是，靜揚(yáng)程越高，空載功率所占的比例越大，調(diào)速范圍越小，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的節(jié)能效果就越差。
靜揚(yáng)程可由水泵進(jìn)水口和出水口的落差形成，也可由管網(wǎng)阻力曲線形成，也可由用戶要求的供水壓力來決定。（如鍋爐給水泵，必須大于汽包壓力才能進(jìn)水。）當(dāng)然也可由變/定速水泵并列運(yùn)行的定速水泵的出口壓力造成！
4.3變頻泵與工頻泵的并聯(lián)運(yùn)行分析
4.3.1變頻泵與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)總的性能曲線，與關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程（最大揚(yáng)程）不同，流量也不同的水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的情況非常類似，可以用相同的方法來分析
（1）F1為工頻泵的性能曲線，也是變頻泵在50Hz下滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的性能曲線（假定變頻泵與工頻泵性能相同，如圖9所示），工頻泵單泵運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)A1。
（2）F2為變頻泵在頻率F2時(shí)的性能曲線，變頻泵在頻率F2單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)B1。
（3） F3為變頻和工頻水泵并聯(lián)運(yùn)行的總的性能曲線，工作點(diǎn)C，揚(yáng)程HC，流量QC=QA2＋QB2。
4.3.2變頻泵與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的特點(diǎn)
（1）F2不僅僅是一條曲線，而是F1性能曲線下方偏左的一系列曲線族。F3也不僅僅是一條曲線，而是在F1性能曲線右方偏上的一系列曲線族。
（2）F2變化時(shí)，F(xiàn)3也隨著變化。工作點(diǎn)C也跟著變化。因此變頻泵的揚(yáng)程HB2，流量QB2，工頻泵揚(yáng)程HA2，流量QA2，以及總的揚(yáng)程HC= HB2= HA2，和總流量QC=QA2＋QB2都會隨著頻率F2的變化而變化。
（3）隨著變頻泵頻率F2的降低，變頻泵的揚(yáng)程逐漸降低。變頻泵流量QB2快速減少；工作點(diǎn)C的揚(yáng)程也隨著降低，使總的流量QC減少；因此工頻泵的揚(yáng)程也降低，使工頻泵流量QA2反而略有增加，此時(shí)要警惕工頻泵過載。
4.3.3變頻泵與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行特例之一，是頻率F= F1=50Hz
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圖10變頻泵最低頻率下與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)總的性能曲線 圖11沒有管網(wǎng)阻力時(shí)變頻泵與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的特性
圖9中：
（1）F1為工頻泵的性能曲線，也是變頻泵F2= F1=50Hz下滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的性能曲線（假定變頻泵與工頻泵性能相同），工頻泵和變頻泵單泵運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)A1。
（2）F3為變頻泵和工頻泵并聯(lián)運(yùn)行的總的性能曲線，工作點(diǎn)C，揚(yáng)程HC= HB2= HA2等于每臺泵的揚(yáng)程，每臺泵的流量QA2=QB2，總流量QC=QA2＋QB2=2 QA2。即當(dāng)F2= F1=50Hz時(shí)，變頻泵與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的特性，與兩臺性能相同的泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)完全一樣。
4.3.4變頻泵與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行特例之二，是F2=Fmin(變頻泵設(shè)置的最低工作頻率)。
圖10中：
（1） F1為工頻泵的性能曲線，工頻泵單泵運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)A1。
（2） F2=Fmin為變頻泵最低頻率下單泵運(yùn)行時(shí)的性能曲線。
（3） F3為變頻和工頻泵并聯(lián)運(yùn)行的總的性能曲線，工作點(diǎn)C不與F3相交，只與F1相交，揚(yáng)程HC=HA1= HA2= HB2等于每臺泵的揚(yáng)程，工頻泵的流量QA2=QA1，總流量QC=QA2=QA1，QB2=0。
即當(dāng)F2=MIN時(shí)，變頻泵的揚(yáng)程不能超過工頻泵的揚(yáng)程，因此變頻泵的流量為零。變頻泵與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)總的性能曲線，與單臺工頻泵運(yùn)行時(shí)的性能曲線相同，變頻泵沒有流量輸出，但仍然消耗一定的功率。
（4） 在此運(yùn)行狀況中，變頻泵的效率降到最低，因此變頻泵不能工作在這種工況中。
（5） 在這種特例中，變頻泵極易產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，易造成泵的損壞，解決的辦法是將再循環(huán)閥門打開，使泵保持一定的最小流量，但這樣做使泵的能耗增加。
水泵變頻不論是單泵運(yùn)行還是并聯(lián)運(yùn)行都有一個極端理想的特例，就是只有凈揚(yáng)程，沒有管網(wǎng)阻力，或者管網(wǎng)阻力與凈揚(yáng)程相比可以忽略，則管網(wǎng)阻力曲線可以看成是一條與凈揚(yáng)程點(diǎn)平行的一條直線。
水泵將水通過粗管道垂直向上打入一個開口的蓄水池就是屬于這種情況。電廠鍋爐給水泵系統(tǒng)中，由于給水壓力極高，管網(wǎng)阻力相對較小，因此采用變頻運(yùn)行時(shí)也可以看成屬于這種情況，如圖11所示。
F1為變頻器最高運(yùn)行頻率性能曲線。工作點(diǎn)A， F2和F3為變頻運(yùn)行性能曲線。H0為實(shí)際揚(yáng)程。
圖9中不論怎樣調(diào)節(jié)頻率，揚(yáng)程都恒定不變，只是流量變化。水泵的輸出功率只隨流量的變化而變化。從圖11中可以看出，隨著頻率的減少，微小的頻率變化∆F會引起很能大的流量變化∆Q。性能曲線越平坦，∆F引起的∆Q就越大。因此頻率越低，流量越小時(shí)這種變化就越大。所以說頻率與流量之間的關(guān)系為QA/（F1－Fmin）。是一種非線性的很難說是幾次方的關(guān)系。由于功率與流量成正比。功率與頻率的關(guān)系為H0 QA/（F1－Fmin），也很難說與頻率是幾次方的關(guān)系。
在這種情況下進(jìn)行變頻運(yùn)行時(shí)，流量不宜太小，以防止微小的頻率或轉(zhuǎn)速的變化引起流量較大的變化，造成水泵流量不穩(wěn)定。
Fmin越高，F(xiàn)1－Fmin就越小，流量和功率隨著頻率的變化就越大。
4.4高性能離心泵群的變頻控制方案[/B]
4.4.1恒壓供水的控制特點(diǎn)[/B]
供水控制，歸根結(jié)底，是為了滿足用戶對流量的需求。所以，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對象，但流量的檢測比較困難，費(fèi)用也較高。考慮到在動態(tài)供水情況下，供水管道中水的壓力P的大小與供水能力和用水需求之間的平衡情況有關(guān)：當(dāng)供水能力大于用水量時(shí)，管道壓力上升；當(dāng)供水能力小于用水量時(shí)，則管道壓力下降；當(dāng)供水能力等于用水量時(shí)，則管道壓力保持不變。可見，供水能力與用水需求之間的矛盾具體地反映在供水壓力的變化上。從而壓力就成了用來作為控制流量大小的參變量，也就是說，保持供水系統(tǒng)中某處壓力的恒定，也就保證了使供水能力和用水需求處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶的用水要求，這就是恒壓供水所要達(dá)到的目的。
4.4.2高性能離心泵的變頻控制方案。[/B]
高性能離心式水泵由于采用了三元流動，進(jìn)口導(dǎo)葉等先進(jìn)技術(shù)，離心式水泵的特性曲線已經(jīng)做得非常平坦，高效率的工作區(qū)域很寬，這也正是水泵生產(chǎn)廠家努力追求的目標(biāo)。但是這樣的水泵在定壓供水工況下，其調(diào)速的范圍很小。供水系統(tǒng)的靜揚(yáng)程越大，也就是空載功率所占的比例越大，水泵特性越平坦，調(diào)速范圍就越小，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的節(jié)能效果也就越差。
對于定壓供水系統(tǒng)的高效離心水泵群如果采用“一變多定”配置的控制方案，則會引起一些問題。圖11是定壓供水系統(tǒng)中變頻水泵的調(diào)速特性曲線圖，從圖中容量看出，在定壓供水系統(tǒng)中，變頻水泵新的工況點(diǎn)也就是變頻泵特性曲線和等壓線的交點(diǎn)。因水泵的特性曲線非常平坦，變頻器的調(diào)速范圍非常小。且因?yàn)楣┧畨毫π〉牟▌樱ㄟ@在供水系統(tǒng)中是很常見的）。新的工況點(diǎn)會發(fā)生劇烈變動，工況點(diǎn)極不穩(wěn)定，雖然在控制程序中可以采用軟件濾波的方法改善不穩(wěn)定的情況，但變、定壓水泵配置方案運(yùn)行匹配較為困難，且節(jié)能效果有限卻是肯定的，這也是和采用變頻節(jié)能控制的初衷相違背的。因此對于實(shí)際工程中的高性能離心泵機(jī)群，所有泵都采用變頻調(diào)速控制才是合理的。
4.4.3變、定水泵并列運(yùn)行[/B]
在實(shí)際工程中，考慮到投資的可能性和運(yùn)行工況的必要性，也常設(shè)計(jì)變、定水泵的并列運(yùn)行方式，但應(yīng)考慮以下方面的因素。
首先，在滿足最大設(shè)計(jì)水量的基礎(chǔ)上，盡量使調(diào)速高效特性曲線接近系統(tǒng)的特性曲線，也就是說，盡量將各種調(diào)速泵組合的高效區(qū)能套入出現(xiàn)機(jī)率最高的工作段或點(diǎn)上。調(diào)速水泵的臺數(shù)，應(yīng)是全年內(nèi)運(yùn)行工況中開泵運(yùn)行時(shí)間最長的臺數(shù)，而備用泵則采用工頻定速泵。當(dāng)一臺調(diào)速泵出現(xiàn)故障時(shí)，可以允許一臺工頻定速泵運(yùn)行，其綜合效率會稍有降低，而揚(yáng)程則會有所增加。
在變、定速泵并列運(yùn)行時(shí)，供水工作壓力應(yīng)保證定速泵工作在高效區(qū)，以提高定速泵的效率。并列泵組中，變頻調(diào)速泵的臺數(shù)越多，節(jié)能效果越好。在多泵并列供水系統(tǒng)中，只上一臺變頻調(diào)速泵的效果不大，且很難匹配。必須只上一臺時(shí)，也要選揚(yáng)程最高，流量最大的那一臺，其效果會較好些。
在多臺調(diào)速泵并列運(yùn)行時(shí)，所有的調(diào)速泵應(yīng)在同一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行；對于關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程不同的泵，則應(yīng)保證各泵的出口揚(yáng)程（壓力）基本一致，這時(shí)的轉(zhuǎn)速就不一樣了，要進(jìn)行折算，就不容易匹配了。
5 結(jié)束語[/B]
（1）在定壓供水系統(tǒng)中，變頻調(diào)速泵的功耗，只和其流量的一次方成正比，不存在和轉(zhuǎn)速的三次方成正比的關(guān)系。
（2）對于高性能的離心水泵機(jī)群，不宜采用“一變多定”設(shè)計(jì)方案。運(yùn)行水泵應(yīng)全部為調(diào)速泵，且要保持出口壓力相同；“一變多定”的調(diào)速泵，應(yīng)是泵群中揚(yáng)程和流量最大的那一臺。
（3）宣傳應(yīng)實(shí)事求是，不能隨意夸大節(jié)能效果，以免誤導(dǎo)和欺騙用戶。
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