第二讲水泵变频调速节能技术

第二讲水泵变频调速节能技术内容摘要：

也很难说与频率是几次方的关系。 （ 3）在这种情况下进行变频运行时，流量不宜太小，以防止微小的频率或转速的变化引起流量较大的变化，造成水泵流量不稳定 （水击）而损坏水管。 （ 4） Fmin 越高， F1－ Fmin （调速范围） 就越小，流量和功率随着频率的变化就越大。 16 . 高性能离心 水 泵群的变频控制方案 恒压供水的控制特点 供水控制，归根结底，是为了满足用户对流量的需求。 所以，流量是供水系统的基本控制对象，但流量的检测比较困难，费用也较高。 考虑到在动态供水情况下，供水管道中水的压力 P 的大小与供水能力和用水需求之间的平衡情况有关：当供水能力大于用水量时，管道压力上升；当供水能力小于用水量时，则管道压力下降；当供水能力等于用水量时，则管道压力保持不变。 可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在供水压力的变化上。 从而压力就成了用来作为控制流量大小的参变量，也就是说，保持供水系统中某处压力的恒定，也就保 证了使供水能力和用水需求处于平衡状态，恰到好处地满足了用户的用水要求，这就是恒压供水所要达到的目的。 目前一般的供水系统，也都采用了多泵并列运行，大小泵搭配，以及采用泵的台数调节等经济运行方式，其运行的经济性也很好；在此基础上进行变频调速节能改造，其节能潜力已不是很大了， 对于这一点应当有一个清醒的认识 ，不要过分夸大变频调速的节能效果，否则将适得其反。 高性能离心泵的变频控制方案。 高性能离心式水泵由于采用了三元流动，进口导叶等先进技术，离心式水泵的特性曲线已经做得非常平坦，高效率的工作 区域很宽，这也正是水泵生产厂家努力追求的目标。 但是这样的水泵在定压供水工况下，其调速的范围很小。 供水系统的静扬程越大，也就是空载功率所占的比例越大，水泵特性越平坦，调速范围就越小，调节转速的节能效果也就越差。 对于定压供水系统的高效离心水泵群如果采用“一变多定”配置的控制方案，则会引起一些问题。 图 11 是定压供水系统中变频水泵的调速特性曲线图，从图中容量看出，在定压供水系统中，变频水泵新的工况点也就是变频泵特性曲线和等压线的交点。 因水泵的特性曲线非常平坦，变频器的调速范围非常小。 且因为供水压力小的波动 （这在供水系统中是很常见的）。 新的工况点会发生剧烈变动，工况点极不稳定，虽然在控制程序中可以采用软件滤波的方法改善不稳定的情况，但变、定 速 水泵配置方案运行匹配较为困难，且节能效果有限却是肯定的，这也是和采用变频节能控制的初衷相违背的。 因此对于实际工程中 17 的高性能离心泵机群， 所有 的 运行 泵都采用变频调速控制才是 最 合理的。 如果出于经济原因的考虑，调速泵的台数应是最常开泵的台数， 其它泵则采用工频备用。 如果还要减少调速泵的台数的话，则一定要使扬程最高、流量最大的泵调速运行。 变、定水泵并列运行 在实际工程中，考虑到投资的可能性和运行工况的必要性，也常设计变、定水泵的并列运行方式，但应考虑以下方面的因素。 首先，在满足最大设计水量的基础上，尽量使调速高效特性曲线接近系统的特性曲线，也就是说，尽量将各种调速泵组合的高效区能套入出现机率最高的工作段或点上。 调速水泵的台数，应是全年内运行工况中开泵运行时间最长的台数，而备用泵则采用工频定速泵。 当一台调速泵出现故障时，可以允许一台工频定速泵运行，其综合效率会稍有降低，而扬程则会有所增加。 在变、定速泵并列运行时，供水工作压力应保证定速泵工作在高效区，以提高定 速泵的效率。 并列泵组中，变频调速泵的台数越多，节能效果越好。 在多泵并列供水系统中，只上一台变频调速泵的效果不大，且很难匹配。 必须只上一台时，也要选扬程最高，流量最大的那一台，其效果会较好些。 在多台调速泵并列运行时，所有的调速泵应在同一转速下运行；对于关死点扬程不同的泵，则应保证各泵的出口扬程（压力）基本一致，这时的转速就不一样了，要进行折算，就不容易匹配了。 第三 节 水泵 变频调速节能效果的计算方法 相似抛物线的求法 水泵与风机不同，由于静扬程的存在，阻力曲线不是相似曲线，因此图 16中 转速变化前 后的运行工况点 M 与 M＇ 不是相似工况点，故其流量、扬程（或全压）与转速的关系不符合比例定律，不能直接用比例定律求得。 但当管路性能曲线的静扬程（或静压）等于零时，即 HST=0（或 PST=0）时，管路性能曲线是一条通过坐标原点的二次抛物线，它与过 M 点的变转速时的相拟抛物线重合，因此， M 与 M＇ 又都是相似工况点（比如风机），故可用比例定律直接由 M 点的参数求出 M＇ 点的参数。 18 图 16 某锅炉给水泵的性能曲线 相似抛物线的求法 例 3－ 1：某锅炉给水泵的性能曲线如图 16所示，其在额定转速下运行时的运行工况点为 M，相应的 QM =380m3/h。 现欲通过变速调节，使新运行工况点M＇ 的流量减为 190m3/h ，试问其转速应为多少。 （额定转速为 2950r/min） 解 : 变速调节时管路性能曲线不变，而泵的运行工况点必在管路性能曲线上，故 M＇ 点可由 QM’ =190m3/h处向上作垂直线与管路性能曲线相交得出，由图可读出 M＇ 点的扬程 HM1=1670m。 M/与 M 不是相似工况点，需在额定转速时的HQ 曲线上找出 M＇ 的相似工况点 A，以便求出 M＇ 的转速。 过 M/点作相似抛物线，由比例定律得 : H=Hm’/’=1670/(190)2 Q2= 为了把相似抛物线作到图 17 上，上式（ H=）中 H与 Q 的关系列表如下： Q(m3/h) 0 100 200 220 240 H(m) 0 460 1840 2226 2650 把列表中数值作到图 16上，此过 M＇ 点的相似抛物线与额定转速下 HQ 特性曲线 相交于 A 点。 用同样的方法 可以作出过 M M2点的 相似抛物线与额定转速下 HQ 特性曲线相交于 B 点和 C 点。 19 由图可读出 QA=227m3/h， HA=2360m，故得 : n39。 =Qm’/QA n=190/227 2950=2469(r/min) 或 n39。 =√ (Hm’/HA) n=√ (1670/2360) 2950=2481(r/min) 上述两式得出的结果略有不同是因作图及读数误差引起的。 从计算结果知，此泵装置因管路静扬程 Hst 很高 (60%)，故当流量减少到原流量的 50%时，其转速只降到原转速的 2469/2950 =%，而不是 50%； 其节能率约 为 1— （ ） = ％，而不是 1— （ 50％） 3＝ ％。 水泵系统管路性能曲线中静扬程（静压）所占比例的大小，与调速装置节能效果的大小相 关。 当静扬程所占比例很大时，即使泵系统的工作流量变化很大，但调速装置的转速变化范围并不大，结果变速调节的节能效果也不大。 这是因为静扬程（静压）不等于零时，管路性能曲线与变转速时的相似抛物线不重合，故变速前后各工作点间的关系并不符合比例定律，即 流量比不等于转速比。 当静扬程（静压）为正值时， 流量比恒大于转速比。 例如 DG500180 型锅炉给水泵，其最高转速 n=2950r/min，相应 Q=500m3/h，He=1800m， Hc=2500m。 若泵系统的静扬程 Hst=1500m(Hst/Hc=60%)。 则变速调节流 量至 60%最大流量（ 300m3/h）时，相应转速为最高转速的 89%（ 2625r/min）。 可见这比静扬程为零时流量比为 60%时，转速比也为 60%时要高多了。 因此，管路性能曲线的静扬程越高，则变速调节流量时，其轴功率的减少值也越小。 所以说，对于有较大静扬程的水泵，只用工作流量变化范围大小确定节能效益的大小就不正确了，应根据转速变化范围确定节能效益的大小才是正确的。 图 16 所示为 水泵在不同工作点的变频调速相似抛物线的求法，表1 为 某离心泵在不同静扬程 和不同流量时转速、轴功率和节电率的关系。 调速范围的确定 水泵系统由于泵径与管径不同（管径一般要大于泵径），且千差万别，所以阀门开度与流量的关系比较复杂，一般来说没有固定的关系可循。 常常可以看到阀门开度才 30%左右，而泵和电动机度已经过载的情况，也就是说流量已经超过了额定流量。 如湄洲湾电厂的给水泵，当机组满负荷运行时，其阀门开度只有 26％。 在进行节能计算时，千万不能将阀门开度当作流量来计算。 20 当水泵采用转速调节时，由于其静扬程一般都不等于零， 故 其阻力曲线不通过坐标原点，因此不是相似曲线， 其流量和扬程与转速的关系要在作出各工况点的相似抛物线后，才能用比例定律计算。 所 以变速前后的 流量比不等于转速比， 也就是说流量不再与转速的一次方成正比， 而是 流量比恒大于转速比。 例32 中 图 18 所示为某循环水泵变频调速节能原理图，图中分别画出了当流量分别为额定流量的 60％、 70％和 80％时的相似抛物线，由此可进行调速范围和节能效果的计算。 在确定调速范围时应兼顾流量和扬程的要求，一般这时将阀门开到最大，仅用转速来调节流量，并要留有一定的扬程裕量。 所以一定要知道生产工艺所要求的最小扬程（包括静扬程和管路阻力），作为确定最低转速的根据。 当然，当最小扬程要求低于最小流量要求时，可以流量要求为准。 节能效果的计算 水泵的调速节能效果计算比较复杂，由于水泵的静扬程一般都不等于零，故其流量、扬程和轴功率与转速的关系要在作出各工况点的相似抛物线，并求出各工况点的转速后，才能用比例定律计算。 水泵所消耗的电功率 也 可用比例定律求得。 在 进行节能计算时要用流量（百分比额定流量）作为根据（而不是阀门开度）；全流量轴功率也不能 简单的采 用额定轴功率， 而应采用实际水泵系统的全流量轴功率进行计算，因为具体选定的泵用在不同的管路系统时其实际参数是不一样的。 并要 注意在计算节电率时使用的比较 电功率应为采用阀门调节时 相同流量 下 水泵实际所消耗的电功率，而不 应当 是电动机的额定电功率 ，因为采用阀门调节时，随着流量的减小，电动机的电流（电功率）也是有所减小的。 在相同的流量百分比时 ，不 同的静扬程 的 转速、轴功率和节电率 都 是不同的，应逐点进行计算。 表 1 所列 为某离心泵在不同静扬程 和不同流量时转速、轴功率和节电率的关系。 而图 17 所示则为某离心式水泵在不同静扬程下采用变速调节及出口阀门调节方式时流量比 qv/qvn 和所消耗的轴功率之比 P/Pn 的关系曲线。 注意： 1. 表中最左边一栏为水泵系统静扬程与全 扬程的百分比 ； 2. 表中最 上 边一栏为水泵系统 的 实际流量与额定 流量的百分比。 3. 本表所列数据系根据某典型水泵特性 得出 ，与实际的泵有一定误差。 21 表 1 水泵系统在不同静扬程和不同流量时转速、轴功率和节电率： 流量 Q/Qe 静扬程 Hst 零 流量 10％ 20％ 30％ 40％ 50％ 60％ 70％ 80％ 90％ 10％ 转速 % 轴功率 % 节电率 % 20％ 转速 % 轴功率 % 节电率 % 30％ 转速 % 轴功率 % 41,7 节电率 % 40％ 转速 % 轴功率 % 节电率 % 50％ 转速 % 轴功率 % 节电率 % 60％ 转速 % 轴功率 % 节电率 % 70％ 转速 % 轴功率 % 节电率 % 80％ 转速 % 轴功率 % 节电率 % 阀门 调节功耗 ％ 73 77 80 84 87 90 93 96 98 22 通常选定的泵理想选定的泵00 . 20 . 20 . 40 . 40 . 60 . 60 . 80 . 81 . 01 . 01 . 21 . 2H/ H0 Cc =1. 0HC/ Hc=0. 751H2C/ Hc=0.5H3 C/ Hc=0.25H4C/ Hc=0P / P nq / qv v n 图 17 泵系统在不同静扬程下的轴功率流量特性 —— 转速调节； 出口阀门调节 （ 注意：这里的 Hc 为额定 扬程） 例 3－ 2：某 发电机组循环水泵的有关参数如下： 循环泵： 64LKXA20 立式斜流泵 额定流量： Qe=19726m3/h (5480l/s) 额定扬程： He=20m 额定转速： 425rps 电动机： YKSL1600－ 14/17301 额定功率；。