離心泵的變頻與節(jié)能
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[摘要]：作為水泵的重要參數(shù)之一，流量對于整個泵站來說具有非常重要的作用。流量的調(diào)節(jié)不僅僅可通過投入運行水泵的臺數(shù)改變，轉(zhuǎn)速的改變可以起到相同的作用。當前運用的變頻調(diào)節(jié)不僅在改變水泵出水流量方面起到重要作用，而且在節(jié)能方面同樣也起到很重要的作用。
論文關(guān)鍵詞：流量,轉(zhuǎn)速,變頻,節(jié)能
伴隨著我國改革開放的深入和經(jīng)濟的快速增長，能源短缺的問題日益顯著。作為一個用電大戶，提水泵站的節(jié)能顯的尤為重要。以東江泵站為例，一小時僅四臺電機所消耗的電能就達到4600度，而提水泵站用電的量與水泵的出水流量有著直接的關(guān)系。因此，在泵站流量不需求全負荷時，變頻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來改變流量在整個泵站的節(jié)能中起到至關(guān)重要的作用。本文將從水泵供水功率、供水效率以及電機的效率等幾個方面來探討變頻與水泵的節(jié)能問題。
2、水泵站供水系統(tǒng)工作點的確定
2.1 工作點
揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點，如圖1中的A點所示。在這一點：供水系統(tǒng)即滿足了揚程特性①，也符合了管阻特性②。供水系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
如閥門開度為100%、轉(zhuǎn)速也為100%（與額定轉(zhuǎn)速之比），則系統(tǒng)處于額定狀態(tài)，這時的工作點稱為額定工作點，或自然工作點。
2.2 供水功率
供水系統(tǒng)向用戶供水時所消耗的功率PG(kW)稱為供水功率，供水功率與流量Q和揚程HT的乘積成正比，即：
PG=Cp·HT·Q （1-1）
式中：Cp—比例常數(shù)。
圖1 供水系統(tǒng)的工作點
Fig.1 working point of water supply system
由上圖可以看出：供水系統(tǒng)的額定功率與面積ODAG成正比
3、 水泵的節(jié)能原理
在提水泵站中，最根本的控制對象就是流量。因此，提到節(jié)能問題，必須從考察調(diào)節(jié)流量的方法入手。常見的方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種，下文以這兩種常見的方法作為比較來探討變頻在水泵節(jié)能方面的優(yōu)勢。
3.1 閥門控制法
此種方法通過關(guān)小或開大閥門來調(diào)節(jié)流量，而轉(zhuǎn)速保持不變（通常為額定轉(zhuǎn)速）。閥門控制法的實質(zhì)是：水泵本身的供水能力不變，而是通過改變輸水管路中的阻力大小來改變供水的能力（反映為供水流量），以適應擁護對流量的需求。這時，管路特性將隨著閥門開度的改變而改變，但揚程特性不改變。由圖2所示，設(shè)用戶所許流量QA減少為QB，當通過關(guān)小閘門來實現(xiàn)時，管阻特性將改變?yōu)榍�③，而揚程特性則仍為曲線①，故供水系統(tǒng)的工作點由A點移至B點。這時：流量減少了，但揚程卻從HTA增大為HTB；由式二可知，供水功率PG與面積OEBF成正比。
3.2 轉(zhuǎn)速控制法
即通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門的開度則保持不變（通常為最大開度）。轉(zhuǎn)速控制法的實質(zhì)是通過改變水泵的全揚程來適應用戶對流量的需求。當水泵的轉(zhuǎn)速改變時，揚程特性將隨之改變，而管阻特性則不變化。仍以用戶所需流量從QA減小為QB為例，當轉(zhuǎn)速下降時，揚程特性下降為曲線④，管路特性則仍為曲線②，故工作點移至C點�？梢姡涸诹髁繙p小為QB的同時，揚程減小為HTC；供水功率PG與面積OECH成正比。
兩種調(diào)控的對比可由圖2表示：
圖2 調(diào)節(jié)流量的方法比較
Fig.2 The comparision of flow regulation methods
4、 轉(zhuǎn)速控制法節(jié)能的幾個方面
4.1 供水功率的比較
比較上述兩種調(diào)節(jié)流量的方法，可以看出：在所需流量小于額定流量的情況下，轉(zhuǎn)速控制時的揚程比閥門控制時的小得多，所以轉(zhuǎn)速控制方式所需的供水功率也比閥門控制方式小得多。兩者之差△P便是轉(zhuǎn)速控制方式節(jié)約的供水功率，它與面積HCBF（圖2中的陰影部分）成正比。
4.2 從水泵的工作效率比較
圖3 水泵的效率曲線
Fig.3 efficiency curve of pump
水泵工作效率相對值
（2-2）
式中：
、
、
—效率、流量和轉(zhuǎn)速的相對值（即實際值與額定值之比的百分數(shù)）；
、
—常數(shù)，由制造廠家提供。
與之間，通常遵循如下規(guī)律：—=1
式二表明，水泵的工作效率主要取決于流量與轉(zhuǎn)速之比。由式二可知，當通過關(guān)小閥門來減小流量時，由于轉(zhuǎn)速不變，
=1，比值/=，其效率曲線如圖三中的曲線①所示。當流量=60%時，其效率將降至B點�？梢姡S著流量的減小，水泵的工作效率降低十分顯著。而在轉(zhuǎn)速控制方式下，由于在閥門開度不變的情況下，流量和轉(zhuǎn)速是成正比的，比值/不變。其效率曲線因轉(zhuǎn)速而變化，在60%
時的效率曲線如圖中的曲線②所示。當流量=60%時，效率由C點決定，它和=100%時的效率（A點）是相等的。就是說采用轉(zhuǎn)速控制方式時，水泵的工作效率總是處于最佳狀態(tài)。
5．由電動機的效率看節(jié)能
水泵在出廠時，由于：
�。�1）對用戶的管路情況無法預測；
�。�2）管阻特性難以準確計算；
�。�3）必須對用戶的需求留有足夠的余地
因此，在決定額定揚程和額定流量時，通常裕量較大，所以電動機的裕量也較大。所以，在實際的運行過程中，即使在用水量高峰時期，電動機也常常不處于滿載狀態(tài)，其效率和功率因數(shù)都較低。
用了變頻控制方式后，可將排水閥完全打開并適當降低轉(zhuǎn)速。由于電動機在低頻運行時，變頻器的輸出電壓也將下降，從而提高了電動機的工作效率。
圖4 水泵的軸功率曲線
Fig.4 shast power curve of pump
綜合起來，水泵的軸功率與流量間的關(guān)系如圖4所示。圖中，曲線①是調(diào)節(jié)閥開度時的功率曲線，當流量=60%時，所消耗的功率由B點決定；曲線②是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時的功率曲線，當=60%時，所消耗的功率由C點決定。由圖可知，與調(diào)節(jié)閥門開度相比，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時所節(jié)約的能量是相當可觀的。
6．參考文獻
[1] 韓安榮主編. 通用變頻器及其應用. 第二版. 北京: 機械工業(yè)出版社,2000
[2] 馮垛生，張淼編著. 變頻器的應用與維護. 廣州：華南理工大學出版社 , 2001
[3] 吳大榕. 電機學. 北京 ：水利電力出版社，1979
[4] 李繼珊. 泵站測試技術(shù). 北京 ：水利電力出版社，1987
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