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對《SPWM變頻調(diào)速應用技術(shù)》中關(guān)于恒壓供水主體方案的商榷
簡介: 自動化新技術(shù)叢書《SPWM變頻調(diào)速應用技術(shù)》(張延濱編著)是一本非常好的書,但書中關(guān)于恒壓供水主體方案的討論一節(jié)的觀點有待商榷,本文對恒壓供水主體方案的確定舉例進行了分析,并提出恒壓供水主體方案確定應考慮系統(tǒng)的運行方式,經(jīng)綜合比較分析最終確定合理的方案。
關(guān)鍵字:恒壓供水 變頻 控制 主體方案 商榷
自動化新技術(shù)叢書《SPWM變頻調(diào)速應用技術(shù)》(張延濱編著)是一本非常好的書,該書深入淺出的介紹有關(guān)變頻器知識及應用,使讀者對變頻控制系統(tǒng)有了更全面的了解,但書中關(guān)于恒壓供水主體方案的討論一節(jié)的觀點有待商榷,本文淺談自己的觀點,供同行一起討論。
1 原文轉(zhuǎn)述
在《SPWM變頻調(diào)速應用技術(shù)》中第226頁中7.1.2關(guān)于恒壓供水主方案的討論一節(jié)中原文摘錄如下:
7.1.2 關(guān)于恒壓供水主體方案的討論
通常,在同一路供水系統(tǒng)中,設(shè)置兩臺常用泵,供水量大時開2臺,供水量少時開1臺。在采用變頻調(diào)速進行恒壓供水時,存在著一個用1臺變頻器還是2臺變頻器的問題,討論如下:
1. 1臺泵的變頻調(diào)速方案 這也是應用得較為普遍的方案。其控制過程是:用水少時,由變頻器控制1號泵,進行恒壓供水控制。當用水量逐漸增加,1號泵的工作頻率達到50Hz時,將其電動機切換成由工頻電源供電。同時,將變頻器切換到2號泵上,由2號泵進行補充供水。反之,當用水量逐漸減少,即使2號泵的工作頻率已降到0Hz,而供水壓力仍偏大時,則關(guān)掉1號泵,同時迅速升高2號泵的工作頻率,并進行恒壓控制。
此方案的主要特點是:
(1)只用1臺變頻器,故設(shè)備投資少。
(2)如果用水量恰巧在1臺泵全速供水量的上下變動時,將會出現(xiàn)供水系統(tǒng)來回切換的狀態(tài)。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生,可設(shè)置壓力控制的“切換死區(qū)”。舉例說明如下:
設(shè)所需供水壓力為200Pa,則可設(shè)定切換死區(qū)范圍為200Pa~250Pa,控制的方式是,當1號泵的工作頻率上升至50Hz時,如壓力低于200Pa,則進行切換,使1號泵全速運行,2號泵進行補充。當用水量減少,2號泵已完全停止,但壓力仍超過200Pa時,先暫不切換,直至壓力超過250Pa時,再行切換。
(3)本方案取用電功率的計算舉例如下:
設(shè)每臺泵的拖動電動機容量為PMN=100KW,全速時的供水流量為QN。泵的空載損耗為 P0=0.1×100KW=10KW,且設(shè)在調(diào)速過程中,P0≈Const,則全速時實際用于泵水的功率為Pp=(100-110)KW=90KW。
又設(shè)每天的平均總供水流量為140%QN,則1號泵為全速,其平均取用功率為
P M1 = PMN = 100 KW
2號泵的平均轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的40%,其平均取用功率為
P M 2 = (10+0.43×90) KW=15.8 KW
兩臺泵取用的總平均功率P∑為
P∑ = (100+15.8) KW = 115.8 KW
2. 2臺泵的變頻調(diào)速方案 2臺水泵的電動機都由變頻器控制,或用2臺變頻器分別控制2臺電動機,或用1臺容量較大的變頻器同時控制2臺電動機。后者控制較為簡單,但前者的機動性較強,即使一臺變頻器出了故障,另一臺仍可使用,轉(zhuǎn)為1臺泵的變頻調(diào)速方案。
采用2臺泵的變頻調(diào)速方案的設(shè)備費用較高,但運行時的節(jié)能效果卻要好得多。仍以上面的例子為例,計算如下。
采用2臺泵的變頻調(diào)速方案時,供水流量可由2臺水泵平均分擔,則每臺的平均供水流量為70%QN,每臺電動機的取用電功率為
P M 1 = (10+0.73×90) KW = 40.9 KW
2臺水泵共用功率為
P∑ = 40.9×2 KW = 81.8 KW
2 商榷分析
2.1 基本相似關(guān)系
當一臺泵抽同一種液體僅轉(zhuǎn)速不同時,可得出所謂“比例律”公式,即
Q 1/Q 2 = n 1/n 2 ---------------------------------------------1
H 1/H 2 = ( n 1/n 2 ) 2 ----------------------------------------2
N 1/N 2 = ( n 1/n 2 ) 3 ----------------------------------------3
式中N1、N2指水泵軸功率,此功率已包含了水泵的容積損失功率、機械效率損失功率、水力損失功率等。
當水泵的轉(zhuǎn)速改變后,水泵的其它工作參數(shù)也隨著改變,一般來講,水泵不允許在額定轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上作升速運行,但降速運行是可以的,但也不應在臨界轉(zhuǎn)速之下長期運行。一般來講降速范圍在(60%--100%)額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行是安全穩(wěn)定的,“比例律”也是準確的。
已知轉(zhuǎn)速為n的某泵Q—H性能曲線,如果把水泵的轉(zhuǎn)速降至n1時,按比例律公式1與2可繪出Q1—H1曲線,但在運用比例律公式時應注意,它們僅適用于同一條相似工況拋物線上的不同點。所以,當已知A1點(Q1 H1)及n時,首先要求出通過A1點(Q1 H1)工況的相似拋物線,此拋物線也通過轉(zhuǎn)速為n1的A2點(Q2 H2),按比例律公式進行計算求相似工況點的方法如下:
根據(jù)比例律公式可得出
H 1 /Q 1 2 = H/Q 2 = K
H = K Q 2
若已知 A1點(Q1 H1) ,則可求出K 值,在Q--H曲線圖上假定幾個流量,就可作出H=KQ2 的相似工況拋物線,此曲線不但通過A1點(Q1 H1),而且與水泵轉(zhuǎn)速為n1的性能曲線相交于A2點(Q2 H2)。但管道特性曲線與相似工況拋物線不是一回事,兩者重合的可能性很小,故在實際應用時一定要注意概念的區(qū)分,以免發(fā)生錯誤。
當Q—H需不變時,即某工程系統(tǒng)凈揚程為H凈,管道已確定時,見圖一所示,其在不同轉(zhuǎn)速下的運行工況點應為點A3(對應轉(zhuǎn)速為n1)、點A1(對應轉(zhuǎn)速為n),但點A1與A3由于工況不相似,故不能用相似律公式計算。點A3(對應轉(zhuǎn)速為n1)與點A4(對應轉(zhuǎn)速為n)才是相似的工況點,如果水泵在轉(zhuǎn)速為n1下運行時,A3點是否在穩(wěn)定運行區(qū),要看對應的相似點A4是否在穩(wěn)定運行區(qū),如果A4點是水泵的穩(wěn)定運行區(qū),則A3點就是穩(wěn)定運行區(qū),否則就不是,在工程中選擇設(shè)備時一定要注意運行工況范圍,所選水泵的工況范圍區(qū)間應包含A1和A4點,這樣系統(tǒng)運行是穩(wěn)定的、安全的和可靠的。不然就會使工程不能充分發(fā)揮效益,甚至造成不必要的浪費。
圖一 水泵及管道性能曲線
2.2 邊界條件分析
在《SPWM變頻調(diào)速應用技術(shù)》中的恒壓供水主方案的討論,對設(shè)置一臺變頻器與二臺變頻器系統(tǒng)所需的軸功率計算,忽略了邊界條件,其邊界條件是管道特性與工況相似拋物線完全重合的特殊情況,且系統(tǒng)不是恒壓供水系統(tǒng),應是圖二所示的水平供水系統(tǒng),當管道末端所需流量小時系統(tǒng)壓力也小,管道末端所需流量大時系統(tǒng)壓力也大的輸水系統(tǒng),且系統(tǒng)的凈水位差為零,即管道特性曲線必須經(jīng)過零流量點。在這樣的前提下,書中的計算結(jié)果才是正確的,但書中的結(jié)論還不確切。
2.3 書中計算誤區(qū)
書中例子假如每天平均總供水流量為140%QN,則1號泵為全速,其平均取用功率為PM1=PMN=100KW,此刻的100KW為拖動電動機的容量,而不是水泵運行所消耗的軸功率,不能以此進行相似律的計算。參見圖一,2號泵的平均轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的40%,其所需功率不是15.8KW,因為消耗15.8KW功率所對應的工況點為水泵全速運行的工況點A1(Q1 H1)的相似拋物線上對應的40%運行工況點A2(Q2 H2),而對應40%額定流量下恒壓運行的工況點應該是工況點A5(Q2 H1),此點消耗的功率要比15.8KW大。恒壓運行各轉(zhuǎn)速下的工況點是壓力為某一給定的數(shù)值,即水泵運行的點為一平行于Q軸的過A1(Q1 H1)線上的點,而不能用管道特性曲線上的點或相似拋物線上的點來對應關(guān)系。
同樣采用2臺變頻調(diào)速的方案,則平均每臺供水流量為70%Qr,則每臺水泵所需功率
圖二 輸水系統(tǒng)示意圖
不是40.9KW,2臺水泵共用功率也不是81.8KW了。
2.4 列例說明
我們討論問題的前提是恒壓供水系統(tǒng),在此前提下必須是恒壓控制,那么在這種條件下選擇一臺變頻還是兩臺變頻,其節(jié)能效果確如書上所計算的那樣嗎?其經(jīng)濟技術(shù)的合理性到底怎樣呢?同樣我們以例子進行計算分析。系統(tǒng)各流量下水泵所需軸功率進行了計算,見表一。
Q總(m3/s)
1.1Qr
1.2Qr
1.3Qr
1.4Qr
1.5Qr
1.6Qr
1.7Qr
1.8Qr
1.9Qr
一一
臺臺
變工
頻頻
變
頻
泵
Q
0.023
0.046
0.069
0.092
0.115
0.138
0.161
0.184
0.207
H
45
45
45
45
45
45
45
45
45
η
20%
42%
58%
71%
76%
81%
83%
83%
82%
P
50.8
48.3
52.5
57.7
66.8
75.2
85.6
97.9
111.4
二臺泵P軸(KW)
176.2
173.7
177.9
182.6
192.2
200.6
211
223.3
236.8
二
臺
變
頻
Q
0.1265
0.138
0.1495
0.161
0.1725
0.184
0.1955
0.207
0.2185
H
45
45
45
45
45
45
45
45
45
η
79%
81%
82%
83%
83%
83%
82%
82%
82%
P
55.8
75.2
80.5
85.6
91.7
97.9
105.2
111.4
117.6
二臺泵P軸(KW)
111.6
150.4
161
171.2
183.4
195.8
210.4
222.8
235.2
二臺變頻較一臺變頻對比節(jié)能(KW)
64.6
23.3
11.9
11.4
8.8
4.8
0.6
0.5
1.6
經(jīng)
濟
比
較
每天運行10小時計消耗電能(KWh)
646
233
119
114
88
48
6
5
16
每度電按0.8元計每年耗電費(萬元)
18.86
6.8
3.47
3.33
2.57
1.4
0.18
0.15
0.47
一臺變頻控制裝置設(shè)備價格(萬元)
20
20
20
20
20
20
20
20
20
預計收回成本年限
1
3
6
6
8
14
111
133
43
表一 設(shè)置一臺和二臺變頻器的技術(shù)經(jīng)濟比較表
假設(shè)系統(tǒng)設(shè)二臺12sh-9A泵,以此為例對恒壓供水主體方案進行計算分析討論,以更為直觀地使大家判斷出選擇幾臺變頻控制設(shè)備更為合理。設(shè)每臺水泵在額定工況下Hr=45m
Qr=0.23m3/s η水=81% P軸=125.4KW 配套電動機P電動機=160KW n=1470r/min 恒壓變頻控制壓力整定為H=45m,分別對系統(tǒng)所需流量為1.1Qr、 1.2Qr、 1.3Qr、1.4Qr、1.5Qr、1.6Qr、1.7Qr、1.8Qr、1.9Qr進行計算水泵所需軸功率。
當系統(tǒng)所需流量為 1.1Q r 即 0.253 m 3 / s 時,分別對設(shè)置一臺變頻器、二臺變頻器方案進行計算。
i) 當設(shè)置一臺變頻器時,即一臺工頻運行,一臺變頻運行。變頻運行的泵的流量為0.023 m 3 / s,此時水泵揚程為Hr=45m η水=20% P軸=50.8KW ,二臺泵的軸功率為176.2KW。
ii) 當設(shè)置二臺變頻器時,則二臺泵同時進行變頻運行。每臺變頻運行的泵的流量為0.1265 m 3 / s,此時水泵揚程為Hr=45m η水=73% P軸=76.5KW ,二臺泵的軸功率為153KW。其節(jié)能23.2KW。
綜合看二臺變頻裝置確實節(jié)能,但節(jié)能效果不是象書中所述的那樣,從表一可以看到,當系統(tǒng)所需的流量在額定流量85%范圍內(nèi)運行,那么選擇一臺變頻裝置為經(jīng)濟合理;若系統(tǒng)運行流量變化很大,但在小流量下運行時間很短,那么也沒有必要為此設(shè)置二臺變頻裝置;若系統(tǒng)所需流量在額定流量的55%以下長期運行,那么應考慮增加機組臺數(shù)與增加變頻裝置數(shù)量的綜合經(jīng)濟比較后確定更為合理的方案。
2.5 總結(jié)
恒壓供水主體方案的確定是一個非常復雜的問題,即要了解用戶用水量分配情況,還要了解工藝特性、管道特性等綜合因素,只有充分了解了系統(tǒng)的運行方式,才能確定出合理的方案。
鄒玉濤 1967年8月21日出生,大學,高級工程師
通訊地址:長春市解放大路2382號,郵編:130021
電話:13019228810 0431-5660744
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