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變頻水泵的選型原理及計算
時間：2012/2/26 來源：浙江揚子江泵業(yè)有限公司
現(xiàn)代哲學(xué)認為，世界上任何事物都是以系統(tǒng)的方式運作的。據(jù)作者觀察分析，世界的一切事物發(fā)生展開過程其實都是目標跟蹤過程，而其實現(xiàn)的模式就是自動控制學(xué)科中單回路負反饋控制過程。變頻水泵也不例外，它是水路系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)，一個環(huán)節(jié)，它的任務(wù)是為系統(tǒng)的大目標服務(wù)的并和系統(tǒng)中的其他子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，共同完成系統(tǒng)的總目標、任務(wù)。水系統(tǒng)的主要任務(wù)、目標是在保證水系統(tǒng)不利環(huán)路的資用壓力的前提下，大限度地節(jié)省能量。如果滿足不了這個要求，水系統(tǒng)不利環(huán)路的資用壓力達不到設(shè)計要求，那不利環(huán)路中的空調(diào)設(shè)備將不能正工作，水系統(tǒng)的設(shè)計就是失敗的。為了達到水系統(tǒng)這個目標、任務(wù)，無論是自來水供水系統(tǒng)還是空調(diào)水系統(tǒng)都確定為定壓供水模式，其目標是非常明確的。定壓供水系統(tǒng)可以說是在實際供水系統(tǒng)中常見的。這點，從水系統(tǒng)的計算方法中也可以看出。通過系統(tǒng)分析，變頻器在四個環(huán)節(jié)(傳感器、控制器、執(zhí)行器、被控對象)組成的水控制系統(tǒng)中擔(dān)任“執(zhí)行器"的角色。從自動控制理論可知，供水系統(tǒng)跟蹤的目標是保證供水壓力恒定。供水系統(tǒng)要得到良好的控制效果，傳感器、控制器和執(zhí)行器的性能必須和被控對象—水回路和水泵—的特性相匹配。
1．相似定理導(dǎo)出的變頻泵的流量、壓力、功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系式
在泵內(nèi)流動完全相似的條件下(即滿足幾何相似、運動相似和動力相似)可以推導(dǎo)出著名的流量、壓頭、功率和轉(zhuǎn)速關(guān)系的方程式：
流量和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：
Q／Q。=(n1／no)=常數(shù) (1)
壓頭和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：
P／P。=(n1／no)2=常數(shù) (2)
功率和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：
W/Wo=(n1／no)3=常數(shù) (3)
式中：
Q-變頻水泵流量，L／s；
P-變頻水泵壓頭。kPa；
W-變頻水泵功率，kW；
n-變頻水泵轉(zhuǎn)速，rpm
下標為O的參數(shù)，為額定工況參數(shù)，下標為1的參數(shù)是轉(zhuǎn)速為n。時的參數(shù)。
(1)-(3)三個關(guān)系式是把水泵從水系統(tǒng)中孤立出來，從相似理論推導(dǎo)出的結(jié)果。但實際上泵是在水系統(tǒng)中運行的，它是水系統(tǒng)不可分割的一部分，因此從系統(tǒng)的觀點來看，對泵完全相似要求的三個相似條件，是對整個系統(tǒng)而言的，而不是單單對泵的條件，否則泵也不可能處在相似工況運行，這點可以從泵特性曲線和水系統(tǒng)阻力特性曲線圖1上可以看出，
在泵的n。特性曲線上，唯有管路阻力特性曲線R。與n。的交點A。和額定工況點Ao完全相似，才有上述的3個關(guān)系式，其他任何點，比如n。和等壓線P0的交點C就沒有上面3個關(guān)系1如果不分泵的運行情況就宣稱變頻泵功耗和轉(zhuǎn)速3次方成正比，這絕對是誤導(dǎo)讀者。在論述泵相似工況時是把泵從水系統(tǒng)中孤立出來分析的，實際泵是在水系統(tǒng)中運行的，它是水系統(tǒng)不可分割的一部分，從系統(tǒng)的觀點來看，對泵完全相似運行的三個要求，是對整個水系統(tǒng)的，如果水系統(tǒng)不相似，泵也不可能處在相似工況運行．因此泵變頻運行時閥門開度不能變動，才能保持相似。如果閥門在變頻過程中開度變動，便破壞了水系統(tǒng)相似流動的基礎(chǔ)——幾何相似。系統(tǒng)不在相似工況運行，在水系統(tǒng)中工作的水泵當(dāng)然電不可能在相似工況下運行。由系統(tǒng)分析可知，水系統(tǒng)在相似工況運行變頻水泵的節(jié)能效果好。判別變頻泵
是否在相似工況運行簡單的方法是用泵變頻時閥門開度是否變化來衡量。閥門開度不變化，泵就在相似工況運行．節(jié)能效果顯著：閥門開度變化，泵就不在相似工況運行，節(jié)能效果變差，而且閥門開度變化越大，節(jié)能效果越差.
常見的恒壓供水系統(tǒng)，泵能耗只和流量的一次方成正比，是采用變頻節(jié)能效果較差的、如果采用空調(diào)變風(fēng)量送風(fēng)系統(tǒng)小靜壓控制法類似的思想，供水過程中不再保持恒壓，而是根據(jù)大部分閥門是否全開了來判斷供水壓力是否繼續(xù)下降．以求得系統(tǒng)的閥門節(jié)流損失小。這種觀點作者在文獻[3]中有詳細的論述．
在定壓供水系統(tǒng)中，變頻泵在新工況點C的功耗和轉(zhuǎn)速不再有簡單的(3)式關(guān)系，而是和泵的當(dāng)下流量Qc成正比，如公式(4)所示．當(dāng)然Qc、wc和轉(zhuǎn)速n。有隱函關(guān)系了．
Wc=QcP0／102η (4)
式中：η—泵傳動總效率。
從水電比擬法中也可以理解定壓水系統(tǒng)中變頻水泵功耗。在水電比擬中，水壓相當(dāng)于電壓，水流相當(dāng)于電流，水阻相當(dāng)于電阻。水壓的含義是單位時間內(nèi)向高水壓處輸送單位體積的水水泵做的功。電壓的含義是單位時間內(nèi)向高電壓處輸送單位電荷電池做的功。電壓、水壓都是能量的概念，本質(zhì)上是相同的、我們知道，所有定電壓的用電器，其功率只和電流一次方成正比。水路和此一樣。這點還可以從因次分析中清楚地看出.
2變頻補水泵的選型分析
補水系統(tǒng)中,補水泵的作用是將水上揚到一定的高度(循環(huán)系統(tǒng)定壓點) 及克服補水管路系統(tǒng)的阻力。式(1) 中的Hcon 為補水點的循環(huán)系統(tǒng)定壓值,這里用Ha 表示,補水系統(tǒng)管路特性表達式為H = Ha + S Q2 (6)
當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速下降時,特性曲線從曲線①下降為曲線③,管路特性曲線仍為曲線②,工作點從A 點移至B 點,流量從QA 減小為QB ,揚程從HA 減小至HB 。水泵的特性曲線①和③與管路特性曲線②均存在交點,能夠正常向系統(tǒng)補水。當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降,性能曲線下降為圖2 中曲線④時,水泵的揚程HC 低于補水點的循環(huán)系統(tǒng)定壓值Ha ,水泵無法向系統(tǒng)補水。從變頻水泵的工作特性上分析,轉(zhuǎn)速降低到一定的下限,有可能導(dǎo)致水泵揚程不足。但在變頻補水泵的實際運行調(diào)節(jié)中,是否會影響系統(tǒng)的正常定壓,還需進一步研究。離心式水泵在額定頻率以下運行時,由于負載
圖2 補水泵特性曲線和管路特性曲線
轉(zhuǎn)矩減小較多,而電動機的有效轉(zhuǎn)矩則減小較少,形成“大馬拉小車”的狀態(tài),泵本身效率將下降。因此泵電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍不宜太大,通常低轉(zhuǎn)速不小于額定轉(zhuǎn)速的50 % ,一般在70 %～100 %之間,當(dāng)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的40 %～50 %時,泵本身效率明顯下降,是不經(jīng)濟的。在合理的調(diào)速范圍(70 %～100 %) 內(nèi),水泵的揚程一般不會低于補水點的循環(huán)系統(tǒng)定壓值Ha ,水泵可以向系統(tǒng)正常補水。即使在系統(tǒng)補水量較小的情況下,水泵運行頻率設(shè)定低于正常范圍,由于水泵一般是根據(jù)系統(tǒng)定壓點的壓力進行變頻的,隨著系統(tǒng)壓力的降低水泵變頻頻率會自動升高,仍可向系統(tǒng)正常補水,系統(tǒng)壓力可以維持在設(shè)定范圍內(nèi)。從以上分析可知,補水泵選型仍可按照非變頻泵的選型方法選擇水泵的流量及揚程等參數(shù)(一般設(shè)計選型時非變頻泵的流量和揚程已考慮有10 %～20 %的富余量(鍋爐房設(shè)計規(guī)范要求30～50 kPa 富余量) ) ,無需考慮因變頻調(diào)速水泵揚程降低而提高揚程的富余量。
3。在定壓供水系統(tǒng)中對泵性能的要求
在定壓供水系統(tǒng)中，泵性能應(yīng)和管網(wǎng)特性、控制策略相匹配才能取得滿意的控制結(jié)果。變頻器價格相對昂貴，因此在實際應(yīng)用中．泵群都是采取“一變多定”的配置方案n經(jīng)過分析．要完成泵群“一變多定”省錢的配置方案，通常在選擇泵性能時有以下一些考慮。
3．1完全滿足¨一變多定"配置方案要求的方案，
經(jīng)分析，完全滿足”一變多定”配置方案要求的，只有具有恒流特性的容積式水泵才可以。如圖2，n0為容積泵是額定工況特性曲線，n。、n2為容積泵變轉(zhuǎn)速時的特性曲線，由圖中可以看出，容積泵具有恒流特性的。當(dāng)管網(wǎng)特性由R0變化到R．時，在控制上很容易確定開一臺定流量泵和一臺變頻泵來適應(yīng)新的工況點流量的要求。但是容積泵的效率非常低，在水系統(tǒng)中若采用容積泵輸送水來滿足“一變多定"配置方案的要求，則是完全背離了采用變頻泵進行節(jié)能的初衷，因此，這個配置方案不能采用。
3．2高性能離心泵的變頻控制方案
采用了三元流動、進口導(dǎo)葉等等先進的技術(shù)，離心式水泵的特性曲線非常平坦，
高效率的工作區(qū)域很寬，這正是水泵生產(chǎn)廠家和用戶追求的。對于定壓供水系統(tǒng)的
高效離心泵機群如果也采用“一變多定”配置的控制方案，則會引起一些問題。圖3是泵特性曲線圖，從這個圖上可以很容易分析出，在定壓供水系統(tǒng)中，變頻泵新的工況點也就是變頻泵特性曲線和等壓線交點，因泵的特性非常平坦，變頻泵的變頻范圍非常小，且新工況點因供水壓力小的波動(這在供水系統(tǒng)中非常正常的)而變
化劇烈，工況點極不穩(wěn)定，雖然在控制中可以采用軟件濾波的方法改善不穩(wěn)定的情況，但變、定水泵配置方案運行匹配較為困難，節(jié)省的能量很有限卻是肯定的，這和采用變頻節(jié)能控制的初衷也是相違背的。因此對于實際工程中的高性能離心泵機群，所有泵都進行變頻控制才是合理的，如著名的德國WI10公司的MHIE、MVIV系列變頻恒壓多泵并聯(lián)供水系統(tǒng)，多臺泵全部采用變頻控制，以避免“一變多定”運行匹配困難的問題。如果水系統(tǒng)盡量采用“一變一備”的配置，用一套變頻器，切換控制兩臺水泵，同時間只有一臺泵處于變頻運行，那就不會遇到“一變多定”運行匹配困難的問題，同時投資也很節(jié)省，這是變頻泵水系統(tǒng)設(shè)計中一種可行的方法
3．3在各支流管路上安裝小的變頻泵代替閥門以大限度地減少節(jié)流損失的方案。
如果空調(diào)系統(tǒng)只有一臺空調(diào)機，用小的變頻泵代替閥門，以空調(diào)機的送風(fēng)溫度或以空調(diào)機的出水溫度來控制變頻泵的轉(zhuǎn)速，是可以取得滿意的節(jié)能效果的。然而對于多臺并聯(lián)運行的空調(diào)機水路中的小變頻泵，各泵也相當(dāng)于并聯(lián)運行。因為各空調(diào)機的負荷不同，空調(diào)機出水壓頭也不盡同，壓頭高的水就有可能通過壓頭低的泵反流，產(chǎn)生各空調(diào)機的調(diào)節(jié)相互干擾。為了避免這種情況，各空調(diào)機出水口管路上必須加裝恒壓水閥，以抹平各空調(diào)機的出水口壓力的差異，使回水干管的壓力相同。不過，這種配置增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，并在恒壓閥上也產(chǎn)生一定的節(jié)流損失1
