水泵變頻調(diào)速應(yīng)用的注意事項

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　　近幾年變頻調(diào)速在供水系統(tǒng)發(fā)展很快，但在實際應(yīng)用中仍然存在著較大的盲目性，導(dǎo)致節(jié)能效果不盡人意。本文針對變頻調(diào)速在水泵節(jié)能方面談一些淺顯的看法，以供商酌。

1 變頻調(diào)速與水泵節(jié)能

　　水泵節(jié)能離不開工況點的合理調(diào)節(jié)。其調(diào)節(jié)方式不外乎以下兩種：管路特性曲線的調(diào)節(jié)，如關(guān)閥調(diào)節(jié)；水泵特性曲線的調(diào)節(jié)，如水泵調(diào)速、葉輪切削等。在節(jié)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(jié)能的主要方式。而變頻調(diào)速在改變水泵性能曲線和自動控制方面優(yōu)勢明顯，因而應(yīng)用廣泛。但同時應(yīng)該引起注意的是，影響變頻調(diào)速節(jié)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(diào)速范圍的因素

　　水泵調(diào)速一般是減速問題。當采用變頻調(diào)速時，原來按工頻狀態(tài)設(shè)計的泵與電機的運行參數(shù)均發(fā)生了較大的變化，另外如管路特性曲線、與調(diào)速泵并列運行的定速泵等因素，都會對調(diào)速的范圍產(chǎn)生一定影響。超范圍調(diào)速則難以實現(xiàn)節(jié)能的目的。因此，變頻調(diào)速不可能無限制調(diào)速。一般認為，變頻調(diào)速不宜低于額定轉(zhuǎn)速50％，最好處于75％～100％，并應(yīng)結(jié)合實際經(jīng)計算確定。
2.1 水泵工藝特點對調(diào)速范圍的影響
　　理論上，水泵調(diào)速高效區(qū)為通過工頻高效區(qū)左右端點的兩條相似工況拋物線的中間區(qū)域OA₁A₂（見圖1）。實際上，當水泵轉(zhuǎn)速過小時，泵的效率將急劇下降，受此影響，水泵調(diào)速高效區(qū)萎縮為PA₁A₂^[2]（顯然，若運行工況點已超出該區(qū)域，則不宜采用調(diào)速來節(jié)能了。）圖中H₀B為管路特性曲線，則CB段成為調(diào)速運行的高效區(qū)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點就成為最小轉(zhuǎn)速時水泵性能曲線高效區(qū)的左端點。

　　因此，最小轉(zhuǎn)速可這樣求得：
　　由于C點和A₁點工況相似，根據(jù)比例律有：
　　　　(Q_C/Q₁)²=H_C/H₁
　　C點在曲線H=H₀+S·Q²上有：
　　　　H_C=H₀+S·Q_C²
　　其中，H_C、Q_C為未知數(shù)，解方程得：
　　　　H_C=H₁×H₀/(H₁-S·Q₁²)
　　　　Q_C=Q₁×[H₀/(H₁-S·Q₁²)]^1/2
　　根據(jù)比例律有：
　　　　nmin=n0×[H₀/(H₁-S·Q₁²)]^1/2
2.2 定速泵對調(diào)速范圍的影響
　　實踐中，供水系統(tǒng)往往是多臺水泵并聯(lián)供水。由于投資昂貴，不可能將所有水泵全部調(diào)速，所以一般采用調(diào)速泵、定速泵混合供水。在這樣的系統(tǒng)中，應(yīng)注意確保調(diào)速泵與定速泵都能在高效段運行，并實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)。此時，定速泵就對與之并列運行的調(diào)速泵的調(diào)速范圍產(chǎn)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(diào)一定并列運行時，雖然調(diào)度靈活，但由于無法兼顧調(diào)速泵與定速泵的高效工作段，因此，此種情況下調(diào)速運行的范圍是很小的。
2.2.2 不同型號水泵一調(diào)一定并列運行時，若能達到調(diào)速泵在額定轉(zhuǎn)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(xiàn)最大范圍的調(diào)速運行。但此時調(diào)速泵與定速泵絕對不允許互換后并列運行。
2.3 電機效率對調(diào)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(zhuǎn)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，最終都影響到整個水泵機組的效率。而且自冷電機連續(xù)低速運轉(zhuǎn)時，也會因風(fēng)量不足影響散熱，威脅電機安全運行。

3 管路特性曲線對調(diào)速節(jié)能效果的影響

　　雖然改變水泵性能曲線是水泵節(jié)能的主要方式，但是在不同的管路特性曲線中，調(diào)速節(jié)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(shè)計工況相同的3個供水系統(tǒng)里（即最大設(shè)計工況點均為A點，均需把流量調(diào)為Q_B），水泵型號相同，但管路特性曲線卻不相同，分別為：
　?、貶=H₁+S₁·Q²（H₀=H₁）
　　②H=H₂+S₂·Q²（H₀=H₂，H₁＞H₂）
　?、跦=S₃·Q²（H₀=H₃=0）
　　很顯然，若采用關(guān)閥調(diào)節(jié)，則3個系統(tǒng)滿足流量Q_B的工況點均為B點，對應(yīng)的軸功率為N_B；若采用調(diào)速運行，則3個系統(tǒng)滿足流量Q_B的工況點分別為C，D，E點，其對應(yīng)的運行轉(zhuǎn)速分別為n₁，n₂，n₃，相應(yīng)的軸功率分別為N_C，N_D，N_E。由于N∝Q·H，所以各點軸功率滿足N_B＞N_C＞N_D＞N_E。
　　可見，在管路特性曲線為H=H₀+S·Q²的系統(tǒng)中采用調(diào)速節(jié)能時，H₀越小，節(jié)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(diào)速系統(tǒng)本身效率的影響，采用變頻調(diào)速可能不節(jié)能甚至反而增加能源浪費。

4 兩種調(diào)速供水方式節(jié)能效果比較

　　在供水系統(tǒng)中，變頻調(diào)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(yīng)用得更廣泛，而后者技術(shù)上更為合理，雖然實施難度更大，但代表著水泵變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)的發(fā)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(tǒng)，無論流量如何變化，都使水泵運行揚程保持不變，即等于設(shè)計揚程。若采用關(guān)閥調(diào)節(jié)，當流量由Q₂→Q₁時，則工況點由A₁變?yōu)锳₂，浪費揚程△H=H₁-H₃=△H₁+△H₂。若采用變頻恒壓供水，則自動將轉(zhuǎn)速調(diào)至n₁，工況點處于B₁點（參見圖3）。由于變頻調(diào)速是無級變速，可以實現(xiàn)流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，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(shè)定一個壓力控制值，比較簡單易行。顯然，恒壓供水節(jié)約了△H₁，而沒有考慮△H₂。因此，它不是最經(jīng)濟的供水調(diào)節(jié)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(shè)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(zhuǎn)速調(diào)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(yōu)于恒壓供水。
　　但變壓供水本質(zhì)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(jù)H=H₀+S·Q²確定水泵揚程H，通過調(diào)速使H沿設(shè)計管路特性曲線移動。
　　但在生產(chǎn)實踐中情況比較復(fù)雜。對于單條管路輸水系統(tǒng)，是可以得到與之對應(yīng)的一條管路特性曲線的。而在市政供水管網(wǎng)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(jù)管網(wǎng)實際運行情況，通過盡時能接近實際的假設(shè)，計算出近似的管路特性曲線。
4.2.2 由最不利點壓力H_m確定水泵揚程
　　即需在管網(wǎng)最不利點設(shè)置壓力遠傳設(shè)備，并向控制室傳回信號，控制器據(jù)此使水泵按滿足最不利點壓力所需要的揚程運行、由于管網(wǎng)最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(tǒng)中，由于管網(wǎng)的調(diào)整，用水狀況的變化等隨機因素的影響，都會使實際最不利點和設(shè)計最不利點發(fā)生一些偏差，給變壓供水的實施帶來困難。

5 結(jié)論

　?、僮冾l調(diào)速是一種應(yīng)用廣泛的水泵節(jié)能技術(shù)，但卻具有較為嚴格的適用條件，不可能簡單地應(yīng)用于任何供水系統(tǒng)，具體采取何種節(jié)能措施，應(yīng)結(jié)合實際情況區(qū)別對待
　?、谧冾l調(diào)速適用于流量不穩(wěn)定，變化頻繁且幅度較大，經(jīng)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(tǒng)。
　?、圩冾l調(diào)速個適用于流量較穩(wěn)定，工況點單一以及靜揚程占總揚程比例較大的供水系統(tǒng)。
　?、茏冾l變壓供水優(yōu)于變頻恒壓供水。

參考文獻：
[1]王錫仲，蔣志堅，高景峰．變頻優(yōu)化調(diào)壓節(jié)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(diào)定混合給水系統(tǒng)運行工況分析[J]．給水排水，1997，23(12)：1～4．

作者簡介：吳自凱（1969～）．男，山西萬榮人，工程帥，1991年畢業(yè)于太原工業(yè)大學(xué)環(huán)境與市政工程系．現(xiàn)在山西鋁廠水電分廠技術(shù)科工作，電話(0359)5042207。