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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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?，F(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）?？梢娺@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(gè)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(gè)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(gè)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?？紤]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?？梢?，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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