水泵供水系统调速节能技术

刘益萱

　　【摘要】 本文讨论了水泵供水系统调速节能的原理，介绍了几种调速节能方式，给出了水泵调速节能设备的转速、范围、台数和效果的有关计算方法。
　　【关键词】 水泵 调速 节能

1 前言

　　据统计，给水工程中能耗费占供水成本的30～70％，水泵的能耗费占总能耗费的90％左右。实际运行中，水泵的效率大多数不足60％，泵站的综合效率不足50％，存在着较大的能源浪费。
　　在能源供应紧张的今天，工程设计中运用水泵供水节能技术，正确地进行泵站设计，使水泵能经常高效运行，将具有重大经济意义。
　　水泵把水从水源中取出送至用户或净水厂；把净化的水送至供水管网；在长距离输水中将水加压；在分压供水系统中增加管网的压力；在用水高峰季节调节管网供水量；在工业循环供水系统中提升冷却水和补充新鲜水等。按照功能划分，水泵在供水系统各环节中构成取水泵站（一级泵站）、配水泵站（二级泵站）、加压泵站、调节泵站、循环泵站等。可以说水泵站是供水系统中的枢纽，水泵是这枢纽中的心脏。对于水泵的选型、在系统中的运行情况与节约能源、降低成本、提高经济效益密切相关。

2 选泵方法

　　水泵的选型是根据所需流量、扬程及其变化规律，同时考虑水泵经常供水时能高效运行确定。
　　一级泵站、加压泵站是按最高日平均时用水量设计，满足最高日供水量与扬程来确定泵型及台数。二级泵站按供水区逐时用水量变化设计，满足最高日最高时供水量与扬程来确定泵型及台数。
2.1 取水泵的选择
　　在一级泵站选泵的扬程中，对水源取用设计低水位。实际上水源出现低水位的机率小，大多数时间是高于这个低水位的，造成选泵扬程高于大多数时间所需要的扬程。在水位变幅大的水源中，这一因素的影响更大。对选泵所用的最高日水量来说，在一年之中最高日水量出现的天数往往只占百分之几。大多数时间低于选泵所用的最高日水量。输水管中的水头损失是随水量的变化成平方关系变化。显然，在大多数时间里，系统上所需扬程和水量皆小于选泵时的扬程和水量。
2.2 供水泵的选择
　　二级泵站供水管网的用水量不是一个固定值。是逐年、逐月、逐日、逐时地变化着的。管网的水头损失也是随水量的变化成平方关系变化，管网所需的水压也随水量的变化而变化。选泵中的扬程和水量采取以点兼面、以大兼小的取值方法，不仅增加了初期设备费，也因为水泵长时间的低效率运行造成能量浪费，在经济上是不允许的。
　　对于复杂的管路，当不能准确地求出管路特性曲线时，是无法选择合适的泵型的。选泵参数不当，泵不可能高效运行。
2.3 水泵的配置
　　一般离心泵的效率为80％左右，选型时往往考虑设备在使用中挖潜，选泵参数留有裕量，造成投产初期水泵低效率运行。即使初期使用小泵运行，也存在效率低的问题。
　　对于扬程、水量变化较大的工况，若使水泵在大多数时间高效运行，实际是做不到的。
　　鉴于上述各种情况，选泵时，在满足最大工况的前提下，在用水量和所需水压变化较大的情况下，可选用多台性能不同的水泵组合运行，但台数多、型号多、管理麻烦。也可考虑多台同型号水泵并联运行与单台水泵独立运行相结合的方式，选泵时应选择在并联运行时每台水泵的工况点接近最高效区的左边界，水泵在单独运行时，工况点向右移动，仍可处在高效区运行，这样选择的结果，可促使水泵在整个工况变化范围内的运行效率都较高。这种方式，同样也因台数多，管理麻烦。因此，在水泵供水系统中，采用其他多种节能措施是非常必要的。

3 水泵适应流量、扬程变化的调节方式

　　按照最大工况选泵，与实际运行工况相差较大，降低水泵效率。为此，运行中根据工况中流量与扬程的变化进行水泵运行工况的调节，常用的调节方式有下列几种。
3.1 流量调节
3.1.1 减少阀门的开启度
　　这是生产中常采用的调流方式。当水泵的工作扬程高于管路所需要的水压时，为满足管路的要求，减小水泵出水阀门的开启度，使阀门增加的水头损失恰好等于某供水量时水泵扬程与管路所需压力之差，改变管路的特性来符合相应供水量时水泵的扬程。该调节方法使大量的电能损失在减少阀门开启度而产生的阻尼上，使工况在水泵的特性曲线上向左移动，降低了系统运行效率，多耗了电能。
3.1.2 多台水泵并联运行
　　如前所述，在用水量变化较大的供水系统中，设置多台同型号或多台不同型号的泵并联工作，通过调节水泵的台数进行流量调节，以适应管网对水量变化的要求。这种运行方式，台数不能太多，这不仅因台数太多带来管理麻烦，降低运行效率，而且会增加水泵的开停次数，缩短设备的使用寿命，这种方式不能连续调节流量变化，也不能用来调节时变化。见图1

3.2 水泵特性调节
3.2.1 调节水泵叶片的安装角度
　　在安设轴流泵或混流泵时，可利用这种泵的叶片可调性，使其工作参数随叶片安装角而变化，从而改变水泵的特性。水泵叶片的安装角度增大，流量增大，水泵的效率也增高。但泵站的综合效率不一定高，要经过计算确定。其调节方式有全调节和半调节两种，全调节在水泵运行中利用调节机构进行调节。半调节是在水泵停止运行时，进行叶片安装角度的调节。
3.2.2 车削叶轮直径或更换不同直径的叶轮
　　改变叶轮直径可改变水泵的性能。根据流量的变化，计算出水泵高效运行时满足工况要求的叶轮直径，如果工况长期稳定，只车削一次即可。如果工况是随着季节的变化而变化的，可配备不同直径的叶轮，进行更换。这种方式受叶轮直径变化范围的限制。用这种方式代替调节阀门开启度的流量调节方式，可节省能耗，但只适用于变化不太大的工况。
3.2.3 调节转速
　　利用改变电动机的转速或改变电动机和水泵的速比可改变水泵的特性，使之适应供水系统工况变化幅度较大的情况。实践证明，调节转速的方法具有良好的节能效果，可简化和便于泵房设备的调度，易于实现自动控制。

4 水泵的调速特性及节能原理

　　上述各种调节方式中，用调节水泵的转速，是降低能耗的最好方式。原因是在改变水泵的转速时且转速变化在±20％范围内，保持泵体内部的流动状态相似的话，那么泵体内的水流速度与转速成正比，流量与转速比成正比，扬程与转速比的平方成正比。轴功率与转速比的立方成正比。
　　Q＝Q₀（n／n₀） （1）
　　H＝H₀（n／n₀）² （2）
　　N＝N₀（n／n₀）³ （3）
　　式中：n₀为额定转速，Q₀为额定转速时的流量，H₀为额定转速时的扬程，N₀为额定转速时的轴功率，为调速后的转速，Q为n转速时的流量，H为n转速时的扬程，N为n转速时的轴功率。
　　由式（1）、式（2）换算后可以得到下式
　　H ＝ (H₀/Q₀²2)Q²
　　式中 H是水泵运行中任何一工况点的扬程
　　Q是水泵运行中任何一工况点的流量
　　当在最佳工况点时，H₀／Q₀是特定条件为H₀、Q₀时的特定常数。指额定转速时的扬程与流量之比。
　　由式（4）可以看出，它是以座标原点为顶点的抛物线方程，在这条抛物线上的各点工况相似，可称为相似工况抛物线，在转速变化为±20％的范围内，泵的效率可基本不变，也叫高效率抛物线。其原理见图2、图3

　　图2是净扬程不变的单泵调速节能原理图。Q－H曲线为单泵额定转速为n₀时的特性曲线，Q＇－H＇曲线为单泵转速为n时的特性曲线，Q－Σh曲线为管路特性曲线，A点是水泵选泵的工况点，A点对应着Q_A、H_A、η_A，是选泵的主要参数。由管路特性曲线Q－∑h决定水泵实际运行中的工况点必定在水泵特性曲线的最佳工况点0左右移动。若管网要求满足A’点的工况，对应的参数是Q_A＇、H_A＇、η_A＂，由图2见到η_A＂≤η_A，效率降低了。根据式（4）及Q_A＇、H_A＇二参数，可以绘制出相似工况抛物线O_B，交Q－H曲线于B点，又得到Q_BH_Bη_B三参数，根据相似工况下水泵的流量与转速比成正或扬程与转速比的平方成正比得到在A’运行时，计算出水泵的转速n，＝（Q_A＇／Q_B）n₀，水泵在n转速下运行，就可以得到满足工况Q_A＇、H_A＇运行时的效率η_A＇。η_A＇＞η_A＂。这就是改变转速后，还能高效运行的原理。
　　图3是净扬程变化单泵调速节能原理图。
　　Q－H曲线为额定转速n0时的水泵特性曲线，Q＇－H＇曲线为转速n时的水泵特性曲线，Q－∑h曲线为管路在净扬程为h时的特性曲线，Q＇－∑h＇曲线为管路在净扬程为h’时的特性曲线，A点是水泵运行的最佳工况点，A点对应着Q_A、H_A、η_A三参数，是选泵的主要参数；实际上水泵运行中经常出现的净扬程小于h，为h＇，在h＇时的水泵工况点为B，水泵的运行效率由η_A降到η_B，此时增加了能耗。若把水泵的转速由n₀调节到n时，根据上述调速后水泵的特性变化公式，可以算出Q＇－∑h＇管路特性曲线上的任何一点的转速，得到调速后的水泵特性曲线，Q＇－H＇，该曲线与Q＇－∑h＇曲线交点A＇，即满足管路工况要求，又使调速后的水泵运行在高效点η_A’上。η_A＇＝η_A＞η_B。
　　从以上两个原理图可以看出，水泵调速之后，可以得到对应不同转速下的新的最佳工况。不调速时，只有一个最佳工况点，调速后得到一条最佳工况线，不调速时有一条水泵运行最佳工况段，调速后得到一个牛角形的最佳工况面（一般调速范围≯60％为宜）。这样，水泵运行适应工况的范围扩大了，水泵容易在最佳工况区运行，减少能耗。

5 常用的调速设备

　　目前我国在水泵调速中常用的调速设备有两种，一种是在电动机和水泵之间加变速装置，电动机转速不变，主要有调速型液力偶合器和电磁转差离合器两种，另一种是改变电动机的转速，主要有串级调速和变频调速。
5.1 调速型液力偶合器
　　见偶合器原理简图（图4）。

　　液力偶合器由带有径向叶片的泵轮、涡轮、泵外壳及控制流道充油度的导管组成。该设备利用电动机的动力，使流入泵轮内的液体机油产生的动能并通过泵轮和涡轮之间油的传递获得功率的传递。泵轮将输入的机械能变为油的动能和势能，涡轮接受油的动能和势能再变成输出的机械能，在两轮间的油形成一环流，通过导管改变偶合器充油的环流量，就此改变了能量传递的大小，从而实现在电动机转速恒定的情况下，以无级变化调节水泵的转速。
　　这种调速设备在我国已被广泛采用，其优点是操作简便、易于实现自动控制、空载启动、安全可靠、可长期连续工作，维修量少，能过载保护，节电效果明显。缺点是传动中有功率损失，设备本身有3％的能耗。
5.2 电磁转差离合器
　　见电磁转差离合器调速原理图（图5）。

　　该设备是60年代国外最常用的调速设备，我国也有多种异步电动机—电磁转差离合器调速装置。该电磁转差离合器由电枢和磁极两部分组成，电枢与电动机同轴连接，磁极在电枢内由铁心和绕组组成，绕组由可控硅整流电源励磁，当电动机带动电枢旋转时，电枢切割磁力线而感应出涡流来，涡流与磁极的磁场作用产生电磁力，此电磁力所形成的转矩使磁极跟着电枢旋转，从而带动水泵转动。只要改变励磁电流的大小，就可以改变磁极转速，也就是改变水泵的转速。该调速设备结构简单，价格便宜，调速精确，不足之处是低速运行时损耗大，效率低，一般多用于小型设备。
5.3 串级调速装置
　　这是一种用于绕线式异步电动机的调速装置，较理想的串级调速是通过在电动机转子回路中引入附加电势来调速，当改变附加电势的大小，就可以改变电动机的转速。目前比较广泛采用的是可控硅串级调速，这种调速方式节电效果明显，不足之处是调速过程中，电动机功率因数降低，产生高次谐波污染电网。
5.4 变频调速装置
　　异步电动机的转速n与电源频率f成正比，与电动机极对数p成反比，见下式：
　　n＝（60f／P） （1－S）
　　式中S为异步电动机的转差率，S＝n₁－n／n₁
　　从公式中不难看出：均匀改变电动机定子绕阻的电源频率f，就可以平滑地改变电动机的同步转速。电动机转速变慢，轴功率就相应减少，电动机输入功率也随之减少，这就是水泵变频调速的节能作用。为了保持调速时电动机的最大转矩不变，需要维持电动机的磁通恒定，为此，要求定子绕组电压也要作相应的调节，变频调速器兼有调频、调压两种功能，变频调速器就是基于这个原理实现调速的。
　　变频调速器具有转差损失小，实现平滑无级调速，精度高，启动电流小，容易实现生产过程的自动控制，容易安装，操作简单，调试方便等优点。

6 水泵站采用调速设备的有关计算

　　上述各种调速设备在水厂中都有选用，选用类型是根据管理水平、管理习惯、使用条件等因素确定。选用后有的水厂并没有得到节电效果，得不偿失。鉴于设备本身价格昂贵，选用它除了要做技术经济比较之外，还需详细计算选择调速设备的必要性，所选调速设备的调速范围、选择调速泵的台数，运行中适应工况变化的最佳转速等。
6.1 泵站综合效率计算
　　调速设备选型之后，为判断供水系统是否应该采用调速设备，以及采用调速设备后是否提高效率，应对泵站进行综合效率计算。综合效率η综合见下式：
　　η_综合＝η_泵·η_传·η_管·η_电·η_池 （6）
　　（设η_池＝1，忽略水池进出的水头损失之差）
　　 式中 η_泵为水泵工作点效率
　　　　　η_传为由传动方式决定的传动效率。查机械手册得到
　　　　　η_管是管路输出功率与输入功率之比，经推导得简化公式η_管＝H_净／H_全
　　　　　η_电为电动机的效率，根据水泵的轴功率N轴及传动效率算出电动机的有效功率
　　　　　N_效，再根据电动机的输入功率，N入计算出电动机效率见下式：
　　　　　　　N_效＝N轴／η_传
　　　　　　　η_电＝N效／N入
　　　　　　　η_传＝1（水泵和电动机是直接传动时）。
　　按η_综合＝η_泵·η_传·η_管·η_电计算出泵站的综合效率。低于55％，应对泵站内各环节的效率进行分析，设法提高该泵站各个环节的效率。采用水泵调速是提高水泵站效率的办法之一。选定调速型式之后，应再计算调速后的综合效率是否提高。
6.2 调速泵的最佳转速计算
　　在采用调速设备的供水系统中，调速设备的最佳转速就是满足管路工况要求时，水泵运行的最佳工况。这工况只有一个点，这个点是管路特性曲线与水泵最高效率抛物线的交点，在转速的变化范围为40％以内满足管路特性曲线上任一工况，都能找到相应的较佳转速。水泵的相似工况抛物线方程为：
　　H_调＝KQ_调²　　　　　(7)
　　管路特性曲线方程为：
　　H_调＝H_净＋SQ_调²　　　(8)
　　解式(7)、式(8)的联力方程得
　　Q_调＝(H_净／K－S)^1/2 　　(9)
　　H_调＝(H_净/H0-SQ₀²)^1/2·Q₀　　　(11)
　　H_调＝(H_净/H0-SQ₀²)^1/2·H₀　　　(12)
　　将(11)代入Q_调／Q0＝n调·n0/Q0＝n0/(H₀-SQ₀²)^1/2·(H_净)^1/2　　　(13)
　　当水泵选型之后，额定工况下的参数Q0、H0、N0都是常数，管路确定之后，管路的比阻S也是常数，即n₀/(H₀-SQ₀²)^1/2=C，显然，C对于确定泵型及管路的泵房来说是个常数，故
　　n_调＝C·（H_净）^1/2 　　　　　（14）
　　n_调就是水泵在高效运行时，对应任何一个净扬程时的转速，是水泵运行最佳状态时的转速，称为最佳转速，只有无级调速能够实现。
　　多台泵并联时，C值按水泵并联后的额定工况点参数计算。
　　如果净扬程是变化的，那么最佳转速也是变化的，运行中可根据净扬程的变化，调至最佳转速，使其高效运行。
6.3 水泵的调速范围
6.3.1 以水泵最佳效率为限，确定调速范围
　　针对不同的泵型应分别进行计算，一般认为调速比K_n应满足下式时是高效运行的。
　　（H／H_左）^1/2＜K_n＞（H／H_右）^1/2
　　式中　H_右——在水泵额定转速下，在Q－H特性曲线高效区的右侧全扬程；
　　　　　H_左——在水泵额定转速下，在Q－H特性曲线高效区的左侧全扬程；
　　　　　H——水泵运行的全扬程。
　　可以看出K_n是水泵的最佳调速比。
6.3.2 调速泵与定速泵并联运行时最小调速比（最大调速范围）
　　当两台扬程相差过大的水泵并联时，扬程低的水泵将不出水，不能并联工作。同样道理，当定速泵与调速泵并联运行时，调速泵的调速比过小，也就是调速范围过大，调速泵也将不能出水。调速泵的最小调速比Kn按下式计算。
　　K_n≮（H／H₀）^1/2式中 H₀——调速泵在额定转速下Q＝0时的扬程；
　　　　 H——两台泵并联运行时的全扬程。
　　可以看出，当定速泵与调速泵并联运行时，调速泵的调速范围受到限制。
6.3.3 以水泵的运行工况来确定的调速范围
　　K_n＝（H_min／H_max ）^1/2
　　式中 K_n——调速比；
　　　　 H_max——对取水泵指水源最低水位时，最大取水量的全扬程；对配水泵及加压泵来说，是最大水量时的全扬程。
　　　　 H_min——对取水泵来说是水源高水位时，最小取水量时的全扬程；对配水泵及加压泵是指最小流量时的全扬程。
　　当两台泵并联时，先算出这个调速比，再算最小调速比。如前者大于后者，可以考虑只用一台调速泵，反之，必须调两台。
6.4 调速泵台数的计算
　　前已述及，在供水量大的泵站，常采用多台水泵并联运行。如满足工况要求，既节省投资又能高效运行的办法是采用定速泵与调速泵配合运行。在工况用水压变化不大的情况，调一台可以满足使用要求的话，以调速泵的调速运行为基础，按流量增减量开停定速泵。这样不但可以保证运行中对用水量变化的适应，还可提高水泵运行的效率。当工况变化大，超出并联运行时一台调速泵的调速范围时，调速泵的台数应当增加。究竟怎样来确定调速泵的台数呢？
　　当相同型号的水泵并联运行，设定管路需要的最小供水量为Q，对应的用水压力为H_min，水泵的特性曲线应由额定转速n调至n_min时才能满足工况最小供水量Q及对应的水压力H_min。根据水泵的调速特性Q₀／Q＝n₀／n_min；H₀／H_min＝（n₀／n_min）²二式，可以导出H_min＝K·Q²及Q＝（H_min／K）^1/2，式中Q₀及H₀为额定工况时单泵或多泵并联时水泵的参数。
　　n_min为水泵扬程调至H_min，流量调至Q时水泵的转速。
　　式中K＝H₀/Q₀²，是额定工况下，泵的扬程与流量平方之比。
　　设Q_min为调速比为K_n时单台泵的流量，K_n≥（H_min／H_左）^1/2是并联运行的最小调速比。H左为多泵并联时额定工况的扬程，取用水泵额定工况时高效区的左边数值为好。由式Q＝（H_min／K）^1/2可知，需要调速的水泵台数至少应为：
　　t＝（H_min／K）^1/2／Q_min
　　式中　K为同型号水泵并联时额定工况下H₀/Q₀²值。
　　当并联水泵型号不同时，则调速泵的台数应满足下式：
　　（H_min／K₁）^1/2＋（H_min／K₂）^1/2＋（H_min／K₃）^1/2＋……＋（H_min／K_i）^1/2≥Q
　　式中K₁K₂K₃…K_i分别为不同型号水泵额定工况时的H₀／Q₀²值，是个常数。
　　上式t为调速泵的台数，如果在并联水泵中选择一台大泵进行调速，可减少调速泵的台数。效率比一般水泵高。
　　当工况用水量及水压需要增加时，调节调速泵的转速，使之增加，然后按用水量增加定速泵并全速运行。这样在最高用水量时，调速泵与定速泵都将在高效运行。
6.5 调速节能效果计算
6.5.1 单台泵调速节能计算（见图6单泵调速节能计算草图）
　　Q－H 为单台泵特性曲线，Q－∑h为管路特性曲线，O’为水泵最佳工况点，A为选泵工况点，计算水泵转速由n_调至n_B后的节能效果，也就是求出管路特性曲线中B点的调速后节电效果。
　　先求出管路特性曲线中B点的特性参数
　　根据B点的流量Q_B、扬程H_B，按相似原理做通过原点0的相似工况抛物线，交转速为n时的Q－H曲线于C点，过C点做垂线得Q_c、η_c，根据相似工况下水泵的流量与转速成正比关系，得到B点处的转速n_B＝（Q_B／Q_c）n

　　转速为n_B时水泵的轴功率为N_B
　　N_B＝Q_B·H_B·r／102η_c（KW）
　　式中 r——水的容重（kg／m³）
　　　　 Q_B——B点流量（m³／s）
　　　　 H_B——B点扬程（m）
　　　　 η_c——对应于C点水泵的效率
　　如果不采用调速设备，当管路要求满足B点时，经常以减小水泵出水阀门的开启度进行调节，此时，水泵的工作点为D，改变了管路特性，管路特性曲线如虚线所示，其参数为Q_B、H_D、η_B，泵在D点运行的轴功率N_D。
　　　　N_D＝Q_B·H_D·r／102；η_B（KW）（η_B＜η_c；H_D＞H_B）
　　N_D－N_B值即为调速后节约的功率。
　　根据用水量的日变化，可以算出一天节约的能耗。根据12个月的用水量变化曲线可以算出一年的节约能耗。
6.5.2 定速泵与调速泵并联运行的节能计算
　　多台定速泵与多台调速泵并联运行的节能计算要复杂的多，可仿上述方法分析得出。

参考文献
［1］蒋瑞敏著，水泵调速装置几个技术问题的探讨
［2］丘传忻著，泵站节能技术
［3］童祖楹、刘祥春著，液力偶合器
［4］尾原滋美著［日］，孙尚勇译，水泵及其应用
［5］杨兴瑶编著，电动机调速原理