水泵變頻調速應用的注意事項

摘要：變頻調速在泵與風機的節能方面應用廣泛，但在實際應用中往往由于對影響其節能效果的因素考慮不周，導致選擇與使用存在著較大的盲目性，影響其節能效益的發揮。以水泵為例，針對影響其調速范圍、節能效果的一些主要因素，進行了對癥分析和探討，在此基礎上指出了變頻調速的適用范圍。
　　關鍵詞：水泵；節能；變頻調速
　　中圖分類號：TU991.35
　　文獻標識碼：B
　　文章編號：1009-2455(2002)05-0045-03 

　　近幾年變頻調速在供水系統發展很快，但在實際應用中仍然存在著較大的盲目性，導致節能效果不盡人意。本文針對變頻調速在水泵節能方面談一些淺顯的看法，以供商酌。 

1 變頻調速與水泵節能 

　　水泵節能離不開工況點的合理調節。其調節方式不外乎以下兩種：管路特性曲線的調節，如關閥調節；水泵特性曲線的調節，如水泵調速、葉輪切削等。在節能效果方面，改變水泵性能曲線的方法，比改變管路特性曲線要顯著得多1。因此，改變水泵性能曲線成為水泵節能的主要方式。而變頻調速在改變水泵性能曲線和自動控制方面優勢明顯，因而應用廣泛。但同時應該引起注意的是，影響變頻調速節能效果的因素很多，如果盲目選用，很可能事與愿違。 

2 影響變頻調速范圍的因素 

　　水泵調速一般是減速問題。當采用變頻調速時，原來按工頻狀態設計的泵與電機的運行參數均發生了較大的變化，另外如管路特性曲線、與調速泵并列運行的定速泵等因素，都會對調速的范圍產生一定影響。超范圍調速則難以實現節能的目的。因此，變頻調速不可能無限制調速。一般認為，變頻調速不宜低于額定轉速50％，*好處于75％～100％，并應結合實際經計算確定。
2.1 水泵工藝特點對調速范圍的影響
　　理論上，水泵調速高效區為通過工頻高效區左右端點的兩條相似工況拋物線的中間區域OA1A2（見圖1）。實際上，當水泵轉速過小時，泵的效率將急劇下降，受此影響，水泵調速高效區萎縮為PA1A22（顯然，若運行工況點已超出該區域，則不宜采用調速來節能了。）圖中H0B為管路特性曲線，則CB段成為調速運行的高效區間。為簡化計算，認為C點位于曲線OA1上，因此，C點和A1點的效率在理論上是相等的。C點就成為*小轉速時水泵性能曲線高效區的左端點。 


因此，*小轉速可這樣求得：
　　由于C點和A1點工況相似，根據比例律有：
　　　　(QC/Q1)2=HC/H1
　　C點在曲線H=H0+S·Q2上有：
　　　　HC=H0+S·QC2
　　其中，HC、QC為未知數，解方程得：
　　　　HC=H1×H0/(H1-S·Q12) 
　　　　QC=Q1×H0/(H1-S·Q12)1/2
　　根據比例律有：
　　　　nmin=n0×H0/(H1-S·Q12)1/2
2.2 定速泵對調速范圍的影響
　　實踐中，供水系統往往是多臺水泵并聯供水。由于投資昂貴，不可能將所有水泵全部調速，所以一般采用調速泵、定速泵混合供水。在這樣的系統中，應注意確保調速泵與定速泵都能在高效段運行，并實現系統*優。此時，定速泵就對與之并列運行的調速泵的調速范圍產生了較大的影響2。主要分以下兩種情況：
2.2.1 同型號水泵一調一定并列運行時，雖然調度靈活，但由于無法兼顧調速泵與定速泵的高效工作段，因此，此種情況下調速運行的范圍是很小的。
2.2.2 不同型號水泵一調一定并列運行時，若能達到調速泵在額定轉速時高效段右端點揚程與定速泵高效段左端點揚程相等。則可實現*大范圍的調速運行。但此時調速泵與定速泵**不允許互換后并列運行。
2.3 電機效率對調速范圍的影響
　　在工況相似的情況下，一般有N∝n3，因此隨著轉速的下降，軸功率會急劇下降，但若電機輸出功率過度偏移額定功率或者工作頻率過度偏移工頻，都會使電機效率下降過快，*終都影響到整個水泵機組的效率。而且自冷電機連續低速運轉時，也會因風量不足影響散熱，威脅電機**運行。 

3 管路特性曲線對調速節能效果的影響 


　雖然改變水泵性能曲線是水泵節能的主要方式，但是在不同的管路特性曲線中，調速節能效果的差別卻是十分明顯的。為了直觀起見，這里采用圖2說明。在設計工況相同的3個供水系統里（即*大設計工況點均為A點，均需把流量調為QB），水泵型號相同，但管路特性曲線卻不相同，分別為：
　　①H=H1+S1·Q2（H0=H1）
　?、贖=H2+S2·Q2（H0=H2，H1＞H2）
　?、跦=S3·Q2（H0=H3=0）
　　很顯然，若采用關閥調節，則3個系統滿足流量QB的工況點均為B點，對應的軸功率為NB；若采用調速運行，則3個系統滿足流量QB的工況點分別為C，D，E點，其對應的運行轉速分別為n1，n2，n3，相應的軸功率分別為NC，ND，NE。由于N∝Q·H，所以各點軸功率滿足NB＞NC＞ND＞NE。
　　可見，在管路特性曲線為H=H0+S·Q2的系統中采用調速節能時，H0越小，節能效果越好。反之，當H0大到一定程度時，受電機效率下降和調速系統本身效率的影響，采用變頻調速可能不節能甚至反而增加能源浪費。 

4 兩種調速供水方式節能效果比較 

　　在供水系統中，變頻調速一般采用以下2種供水方式：變頻恒壓變流量供水和變頻變壓變流量供水。其中，前者應用得更廣泛，而后者技術上更為合理，雖然實施難度更大，但代表著水泵變頻調速節能技術的發展方向。
4.1 變頻恒壓（變流量）供水
　　所謂恒壓供水方式，就是針對離心泵“流量大時揚程低，流量小時揚程高”的特性，通過自控變頻系統，無論流量如何變化，都使水泵運行揚程保持不變，即等于設計揚程。若采用關閥調節，當流量由Q2→Q1時，則工況點由A1變為A2，浪費揚程△H=H1-H3=△H1+△H2。若采用變頻恒壓供水，則自動將轉速調至n1，工況點處于B1點（參見圖3）。由于變頻調速是無級變速，可以實現流量的連續調節，所以，恒壓供水工況點始終處于直線H=H2上，在控制方式上，只需在水泵出口設定一個壓力控制值，比較簡單易行。顯然，恒壓供水節約了△H1，而沒有考慮△H2。因此，它不是*經濟的供水調節方式，尤其在管路阻力大，管路特性曲線陡曲的情況下，△H2所占的比重更大，其局限性就顯而易見。 


4.2 變頻變壓（交流量）供水
　　變壓供水方式控制原理和恒壓供水相同，只是壓力設置不同。它使水泵揚程不確定，而是沿管路特性曲線移動（參見圖3）。當流量由Q2→Q1時，自動將轉速調至n2，工況點處于B2點。此時水泵軸功率n2小于恒壓供水水泵軸功率N1。變壓供水理論上避免了流量減少時揚程的浪費，顯然優于恒壓供水。
　　但變壓供水本質上也是一種恒壓，不過將水泵出口壓力恒定變成了控制點壓力恒定，它一般有2種形式：
4.2.1 由流量Q確定水泵揚程
　　流量計將測得的水泵流量Q反饋給控制器，控制器根據H=H0+S·Q2確定水泵揚程H，通過調速使H沿設計管路特性曲線移動。
　　但在生產實踐中情況比較復雜。對于單條管路輸水系統，是可以得到與之對應的一條管路特性曲線的。而在市政供水管網中，則很難得到一條確定的管路特性曲線。在實踐中，只能根據管網實際運行情況，通過盡時能接近實際的假設，計算出近似的管路特性曲線。
4.2.2 由*不利點壓力Hm確定水泵揚程
　　即需在管網*不利點設置壓力遠傳設備，并向控制室傳回信號，控制器據此使水泵按滿足*不利點壓力所需要的揚程運行、由于管網*不利點往往距離泵站較遠，遠傳信號顯得不太方便，而且，在市政供水系統中，由于管網的調整，用水狀況的變化等隨機因素的影響，都會使實際*不利點和設計*不利點發生一些偏差，給變壓供水的實施帶來困難。 

5 結論 

　?、僮冾l調速是一種應用廣泛的水泵節能技術，但卻具有較為嚴格的適用條件，不可能簡單地應用于任何供水系統，具體采取何種節能措施，應結合實際情況區別對待
　?、谧冾l調速適用于流量不穩定，變化頻繁且幅度較大，經常流量明顯偏小以及管路損失占總揚程比例較大的供水系統。
　?、圩冾l調速個適用于流量較穩定，工況點單一以及靜揚程占總揚程比例較大的供水系統。
　?、茏冾l變壓供水優于變頻恒壓供水。 

參考文獻：
1王錫仲，蔣志堅，高景峰．變頻優化調壓節能供水裝置的研制J．給水排水，1998，24(10)：64～67．
2谷晉龍．水泵調定混合給水系統運行工況分析J．給水排水，1997，23(12)：1～4．

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