水泵变频调速应用的注意事项

吴自凯，余承烈，薛学功
（山西铝厂，山西 河津 043300）

　　摘要：变频调速在泵与风机的节能方面应用广泛，但在实际应用中往往由于对影响其节能效果的因素考虑不周，导致选择与使用存在着较大的盲目性，影响其节能效益的发挥。以水泵为例，针对影响其调速范围、节能效果的一些主要因素，进行了对症分析和探讨，在此基础上指出了变频调速的适用范围。
　　关键词：水泵；节能；变频调速
　　中图分类号：TU991.35
　　文献标识码：B
　　文章编号：1009-2455(2002)05-0045-03

　　近几年变频调速在供水系统发展很快，但在实际应用中仍然存在着较大的盲目性，导致节能效果不尽人意。本文针对变频调速在水泵节能方面谈一些浅显的看法，以供商酌。

1 变频调速与水泵节能

　　水泵节能离不开工况点的合理调节。其调节方式不外乎以下两种：管路特性曲线的调节，如关阀调节；水泵特性曲线的调节，如水泵调速、叶轮切削等。在节能效果方面，改变水泵性能曲线的方法，比改变管路特性曲线要显著得多^[1]。因此，改变水泵性能曲线成为水泵节能的主要方式。而变频调速在改变水泵性能曲线和自动控制方面优势明显，因而应用广泛。但同时应该引起注意的是，影响变频调速节能效果的因素很多，如果盲目选用，很可能事与愿违。

2 影响变频调速范围的因素

　　水泵调速一般是减速问题。当采用变频调速时，原来按工频状态设计的泵与电机的运行参数均发生了较大的变化，另外如管路特性曲线、与调速泵并列运行的定速泵等因素，都会对调速的范围产生一定影响。超范围调速则难以实现节能的目的。因此，变频调速不可能无限制调速。一般认为，变频调速不宜低于额定转速50％，最好处于75％～100％，并应结合实际经计算确定。
2.1 水泵工艺特点对调速范围的影响
　　理论上，水泵调速高效区为通过工频高效区左右端点的两条相似工况抛物线的中间区域OA₁A₂（见图1）。实际上，当水泵转速过小时，泵的效率将急剧下降，受此影响，水泵调速高效区萎缩为PA₁A₂^[2]（显然，若运行工况点已超出该区域，则不宜采用调速来节能了。）图中H₀B为管路特性曲线，则CB段成为调速运行的高效区间。为简化计算，认为C点位于曲线OA₁上，因此，C点和A₁点的效率在理论上是相等的。C点就成为最小转速时水泵性能曲线高效区的左端点。

　　因此，最小转速可这样求得：
　　由于C点和A₁点工况相似，根据比例律有：
　　　　(Q_C/Q₁)²=H_C/H₁
　　C点在曲线H=H₀+S·Q²上有：
　　　　H_C=H₀+S·Q_C²
　　其中，H_C、Q_C为未知数，解方程得：
　　　　H_C=H₁×H₀/(H₁-S·Q₁²)
　　　　Q_C=Q₁×[H₀/(H₁-S·Q₁²)]^1/2
　　根据比例律有：
　　　　nmin=n0×[H₀/(H₁-S·Q₁²)]^1/2
2.2 定速泵对调速范围的影响
　　实践中，供水系统往往是多台水泵并联供水。由于投资昂贵，不可能将所有水泵全部调速，所以一般采用调速泵、定速泵混合供水。在这样的系统中，应注意确保调速泵与定速泵都能在高效段运行，并实现系统最优。此时，定速泵就对与之并列运行的调速泵的调速范围产生了较大的影响[2]。主要分以下两种情况：
2.2.1 同型号水泵一调一定并列运行时，虽然调度灵活，但由于无法兼顾调速泵与定速泵的高效工作段，因此，此种情况下调速运行的范围是很小的。
2.2.2 不同型号水泵一调一定并列运行时，若能达到调速泵在额定转速时高效段右端点扬程与定速泵高效段左端点扬程相等。则可实现最大范围的调速运行。但此时调速泵与定速泵绝对不允许互换后并列运行。
2.3 电机效率对调速范围的影响
　　在工况相似的情况下，一般有N∝n₃，因此随着转速的下降，轴功率会急剧下降，但若电机输出功率过度偏移额定功率或者工作频率过度偏移工频，都会使电机效率下降过快，最终都影响到整个水泵机组的效率。而且自冷电机连续低速运转时，也会因风量不足影响散热，威胁电机安全运行。

3 管路特性曲线对调速节能效果的影响

　　虽然改变水泵性能曲线是水泵节能的主要方式，但是在不同的管路特性曲线中，调速节能效果的差别却是十分明显的。为了直观起见，这里采用图2说明。在设计工况相同的3个供水系统里（即最大设计工况点均为A点，均需把流量调为Q_B），水泵型号相同，但管路特性曲线却不相同，分别为：
　　①H=H₁+S₁·Q²（H₀=H₁）
　　②H=H₂+S₂·Q²（H₀=H₂，H₁＞H₂）
　　③H=S₃·Q²（H₀=H₃=0）
　　很显然，若采用关阀调节，则3个系统满足流量Q_B的工况点均为B点，对应的轴功率为N_B；若采用调速运行，则3个系统满足流量Q_B的工况点分别为C，D，E点，其对应的运行转速分别为n₁，n₂，n₃，相应的轴功率分别为N_C，N_D，N_E。由于N∝Q·H，所以各点轴功率满足N_B＞N_C＞N_D＞N_E。
　　可见，在管路特性曲线为H=H₀+S·Q²的系统中采用调速节能时，H₀越小，节能效果越好。反之，当H₀大到一定程度时，受电机效率下降和调速系统本身效率的影响，采用变频调速可能不节能甚至反而增加能源浪费。

4 两种调速供水方式节能效果比较

　　在供水系统中，变频调速一般采用以下2种供水方式：变频恒压变流量供水和变频变压变流量供水。其中，前者应用得更广泛，而后者技术上更为合理，虽然实施难度更大，但代表着水泵变频调速节能技术的发展方向。
4.1 变频恒压（变流量）供水
　　所谓恒压供水方式，就是针对离心泵“流量大时扬程低，流量小时扬程高”的特性，通过自控变频系统，无论流量如何变化，都使水泵运行扬程保持不变，即等于设计扬程。若采用关阀调节，当流量由Q₂→Q₁时，则工况点由A₁变为A₂，浪费扬程△H=H₁-H₃=△H₁+△H₂。若采用变频恒压供水，则自动将转速调至n₁，工况点处于B₁点（参见图3）。由于变频调速是无级变速，可以实现流量的连续调节，所以，恒压供水工况点始终处于直线H=H₂上，在控制方式上，只需在水泵出口设定一个压力控制值，比较简单易行。显然，恒压供水节约了△H₁，而没有考虑△H₂。因此，它不是最经济的供水调节方式，尤其在管路阻力大，管路特性曲线陡曲的情况下，△H₂所占的比重更大，其局限性就显而易见。

4.2 变频变压（交流量）供水
　　变压供水方式控制原理和恒压供水相同，只是压力设置不同。它使水泵扬程不确定，而是沿管路特性曲线移动（参见图3）。当流量由Q₂→Q₁时，自动将转速调至n₂，工况点处于B₂点。此时水泵轴功率n₂小于恒压供水水泵轴功率N₁。变压供水理论上避免了流量减少时扬程的浪费，显然优于恒压供水。
　　但变压供水本质上也是一种恒压，不过将水泵出口压力恒定变成了控制点压力恒定，它一般有2种形式：
4.2.1 由流量Q确定水泵扬程
　　流量计将测得的水泵流量Q反馈给控制器，控制器根据H=H₀+S·Q²确定水泵扬程H，通过调速使H沿设计管路特性曲线移动。
　　但在生产实践中情况比较复杂。对于单条管路输水系统，是可以得到与之对应的一条管路特性曲线的。而在市政供水管网中，则很难得到一条确定的管路特性曲线。在实践中，只能根据管网实际运行情况，通过尽时能接近实际的假设，计算出近似的管路特性曲线。
4.2.2 由最不利点压力H_m确定水泵扬程
　　即需在管网最不利点设置压力远传设备，并向控制室传回信号，控制器据此使水泵按满足最不利点压力所需要的扬程运行、由于管网最不利点往往距离泵站较远，远传信号显得不太方便，而且，在市政供水系统中，由于管网的调整，用水状况的变化等随机因素的影响，都会使实际最不利点和设计最不利点发生一些偏差，给变压供水的实施带来困难。

5 结论

　　①变频调速是一种应用广泛的水泵节能技术，但却具有较为严格的适用条件，不可能简单地应用于任何供水系统，具体采取何种节能措施，应结合实际情况区别对待
　　②变频调速适用于流量不稳定，变化频繁且幅度较大，经常流量明显偏小以及管路损失占总扬程比例较大的供水系统。
　　③变频调速个适用于流量较稳定，工况点单一以及静扬程占总扬程比例较大的供水系统。
　　④变频变压供水优于变频恒压供水。

参考文献：
[1]王锡仲，蒋志坚，高景峰．变频优化调压节能供水装置的研制[J]．给水排水，1998，24(10)：64～67．
[2]谷晋龙．水泵调定混合给水系统运行工况分析[J]．给水排水，1997，23(12)：1～4．

作者简介：吴自凯（1969～）．男，山西万荣人，工程帅，1991年毕业于太原工业大学环境与市政工程系．现在山西铝厂水电分厂技术科工作，电话(0359)5042207。