水泵變頻調速無(wú)負壓節能供水設備應用的注意事項

      近幾年變頻調速無(wú)負壓節能供水設備在供水系統發(fā)展很快，但在實(shí)際應用中仍然存在著(zhù)較大的盲目性，導致節能效果不盡人意。本文針對變頻調速無(wú)負壓節能供水設備在水泵節能方面談一些淺顯的看法，以供商酌。

1 變頻調速無(wú)負壓節能供水設備與水泵節能

　　水泵節能離不開(kāi)工況點(diǎn)的合理調節。其調節方式不外乎以下兩種：管路特性曲線(xiàn)的調節，如關(guān)閥調節；水泵特性曲線(xiàn)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(xiàn)的方法，比改變管路特性曲線(xiàn)要顯著(zhù)得多[1]。因此，改變水泵性能曲線(xiàn)成為水泵節能的主要方式。而變頻調速無(wú)負壓節能供水設備在改變水泵性能曲線(xiàn)和自動(dòng)控制方面優(yōu)勢明顯，因而應用廣泛。但同時(shí)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 影響變頻調速無(wú)負壓節能供水設備范圍的因素

　　水泵調速一般是減速問(wèn)題。當采用變頻調速時(shí)，原來(lái)按工頻狀態(tài)設計的泵與電機的運行參數均發(fā)生了較大的變化，另外如管路特性曲線(xiàn)、與調速泵并列運行的定速泵等因素，都會(huì )對調速的范圍產(chǎn)生，一，定影響。超范圍調速則難以實(shí)現節能的目的。因此，變頻調速不可能，無(wú)，限，制調速。一般認為，變頻調速不宜低于額定轉速50％，處于75％～100％較好，并應結合實(shí)際經(jīng)計算確定。

2.1 水泵工藝特點(diǎn)對調速范圍的影響

　　理論上，水泵調速高，效區為通過(guò)工頻高，效區左右端點(diǎn)的兩條相似工況拋物線(xiàn)的中間區域OA1A2（見(jiàn)圖1）。實(shí)際上，當水泵轉速過(guò)小時(shí)，泵的效率將急劇下降，受此影響，水泵調速高，效區萎縮為PA1A2[2]（顯然，若運行工況點(diǎn)已超出該區域，則不宜采用調速來(lái)節能了。）圖中H0B為管路特性曲線(xiàn)，則CB段成為調速運行的高，效區間。為簡(jiǎn)化計算，認為C點(diǎn)位于曲線(xiàn)OA1上，因此，C點(diǎn)和A1點(diǎn)的效率在理論上是相等的。C點(diǎn)就成為較小轉速時(shí)水泵性能曲線(xiàn)高，效區的左端點(diǎn)。

　　因此，較小轉速可這樣求得：

　　由于C點(diǎn)和A1點(diǎn)工況相似，根據比例律有：

　　　　(QC/Q1)2=HC/H1

　　C點(diǎn)在曲線(xiàn)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(shí)踐中，供水系統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(shí)現系統較優(yōu)。此時(shí)，定速泵就對與之并列運行的調速泵的調速范圍產(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，一，定，并列運行時(shí)，雖然調度靈活，但由于無(wú)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(shí)，若能達到調速泵在額定轉速時(shí)高，效段右端點(diǎn)揚程與定速泵高，效段左端點(diǎn)揚程相等。則可實(shí)現較大范圍的調速運行。但此時(shí)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(zhù)轉速的下降，軸功率會(huì )急劇下降，但若電機輸出功率過(guò)度偏移額定功率或者工作頻率過(guò)度偏移工頻，都會(huì )使電機效率下降過(guò)快， 終都影響到整個(gè)水泵機組的效率。而且自冷電機連續低速運轉時(shí)，也會(huì )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(xiàn)對調速節能效果的影響

　　雖然改變水泵性能曲線(xiàn)是水泵節能的主要方式，但是在不同的管路特性曲線(xiàn)中，調速節能效果的差別卻是十分明顯的。為了直觀(guān)起見(jiàn)，這里采用圖2說(shuō)明。在設計工況相同的3個(gè)供水系統里（即較大設計工況點(diǎn)均為A點(diǎn)，均需把流量調為QB），水泵型號相同，但管路特性曲線(xiàn)卻不相同，分別為：

　?、貶=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(guān)閥調節，則3個(gè)系統滿(mǎn)足流量QB的工況點(diǎn)均為B點(diǎn)，對應的軸功率為NB；若采用調速運行，則3個(gè)系統滿(mǎn)足流量QB的工況點(diǎn)分別為C，D，E點(diǎn)，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(diǎn)軸功率滿(mǎn)足NB＞NC＞ND＞NE。

　　可見(jiàn)，在管路特性曲線(xiàn)為H=H0+S·Q2的系統中采用調速節能時(shí)，H0越小，節能效果越好。反之，當H0大到，一，定，程度時(shí)，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，變頻調速無(wú)負壓節能供水設備一般采用以下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(shù)上更為合理，雖然實(shí)施難度更大，但代表著(zhù)水泵變頻調速節能技術(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(shí)揚程低，流量小時(shí)揚程高”的特性，通過(guò)自控變頻系統，無(wú)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(guān)閥調節，當流量由Q2→Q1時(shí)，則工況點(diǎn)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(dòng)將轉速調至n1，工況點(diǎn)處于B1點(diǎn)（參見(jiàn)圖3）。由于變頻調速是無(wú)級變速，可以實(shí)現流量的連續調節，所以，恒壓供水工況點(diǎn)始終處于直線(xiàn)H=H2上，在控制方式上，只需在水泵出口設定一個(gè)壓力控制值，比較簡(jiǎn)單易行。顯然，恒壓供水節約了△H1，而沒(méi)有考慮△H2。因此，它不是較經(jīng)濟的供水調節方式，尤其在管路阻力大，管路特性曲線(xiàn)陡曲的情況下，△H2所占的比重更大，其局限性就顯而易見(jiàn)。

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(xiàn)移動(dòng)（參見(jiàn)圖3）。當流量由Q2→Q1時(shí)，自動(dòng)將轉速調至n2，工況點(diǎn)處于B2點(diǎn)。此時(shí)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(shí)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(guò)將水泵出口壓力恒定變成了控制點(diǎn)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(guò)調速使H沿設計管路特性曲線(xiàn)移動(dòng)。

　　但在生產(chǎn)實(shí)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(xiàn)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(xiàn)。在實(shí)踐中，只能根據管網(wǎng)實(shí)際運行情況，通過(guò)盡時(shí)能接近實(shí)際的假設，計算出近似的管路特性曲線(xiàn)。

4.2.2 由較不利點(diǎn)壓力Hm確定水泵揚程

　　即需在管網(wǎng)較不利點(diǎn)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(mǎn)足較不利點(diǎn)壓力所需要的揚程運行、由于管網(wǎng)較不利點(diǎn)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(wǎng)的調整，用水狀況的變化等隨機因素的影響，都會(huì )使實(shí)際較不利點(diǎn)和設計較不利點(diǎn)發(fā)生一些偏差，給變壓供水的實(shí)施帶來(lái)困難。

5 無(wú)負壓節能供水設備結論

　?、僮冾l調速無(wú)負壓節能供水設備是一種應用廣泛的水泵節能技術(shù)，但卻具有較為嚴格的適用條件，不可能簡(jiǎn)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(shí)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(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。

　?、圩冾l調速個(gè)適用于流量較穩定，工況點(diǎn)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(yōu)于變頻恒壓供水。