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水泵變頻調(diào)速應(yīng)用的注意事項(xiàng)
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近幾年變頻調(diào)速在供水系統(tǒng)發(fā)展很快,但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在著較大的盲目性,導(dǎo)致節(jié)能效果不盡人意。本文針對(duì)變頻調(diào)速在水泵節(jié)能方面談一些淺顯的看法,以供商酌。
1 變頻調(diào)速與水泵節(jié)能
水泵節(jié)能離不開(kāi)工況點(diǎn)的合理調(diào)節(jié)。其調(diào)節(jié)方式不外乎以下兩種:管路特性曲線(xiàn)的調(diào)節(jié),如關(guān)閥調(diào)節(jié);水泵特性曲線(xiàn)的調(diào)節(jié),如水泵調(diào)速、葉輪切削等。在節(jié)能效果方面,改變水泵性能曲線(xiàn)的方法,比改變管路特性曲線(xiàn)要顯著得多[1]。因此,改變水泵性能曲線(xiàn)成為水泵節(jié)能的主要方式。而變頻調(diào)速在改變水泵性能曲線(xiàn)和自動(dòng)控制方面優(yōu)勢(shì)明顯,因而應(yīng)用廣泛。但同時(shí)應(yīng)該引起注意的是,影響變頻調(diào)速節(jié)能效果的因素很多,如果盲目選用,很可能事與愿違。
2 影響變頻調(diào)速范圍的因素
水泵調(diào)速一般是減速問(wèn)題。當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí),原來(lái)按工頻狀態(tài)設(shè)計(jì)的泵與電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)均發(fā)生了較大的變化,另外如管路特性曲線(xiàn)、與調(diào)速泵并列運(yùn)行的定速泵等因素,都會(huì)對(duì)調(diào)速的范圍產(chǎn)生一定影響。超范圍調(diào)速則難以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。因此,變頻調(diào)速不可能無(wú)限制調(diào)速。一般認(rèn)為,變頻調(diào)速不宜低于額定轉(zhuǎn)速50%,最好處于75%~100%,并應(yīng)結(jié)合實(shí)際經(jīng)計(jì)算確定。
2.1 水泵工藝特點(diǎn)對(duì)調(diào)速范圍的影響
理論上,水泵調(diào)速高效區(qū)為通過(guò)工頻高效區(qū)左右端點(diǎn)的兩條相似工況拋物線(xiàn)的中間區(qū)域OA1A2(見(jiàn)圖1)。實(shí)際上,當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速過(guò)小時(shí),泵的效率將急劇下降,受此影響,水泵調(diào)速高效區(qū)萎縮為PA1A2[2](顯然,若運(yùn)行工況點(diǎn)已超出該區(qū)域,則不宜采用調(diào)速來(lái)節(jié)能了。)圖中H0B為管路特性曲線(xiàn),則CB段成為調(diào)速運(yùn)行的高效區(qū)間。為簡(jiǎn)化計(jì)算,認(rèn)為C點(diǎn)位于曲線(xiàn)OA1上,因此,C點(diǎn)和A1點(diǎn)的效率在理論上是相等的。C點(diǎn)就成為最小轉(zhuǎn)速時(shí)水泵性能曲線(xiàn)高效區(qū)的左端點(diǎn)。
因此,最小轉(zhuǎn)速可這樣求得:
由于C點(diǎn)和A1點(diǎn)工況相似,根據(jù)比例律有:
(QC/Q1)2=HC/H1
C點(diǎn)在曲線(xiàn)H=H0+S·Q2上有:
HC=H0+S·QC2
其中,HC、QC為未知數(shù),解方程得:
HC=H1×H0/(H1-S·Q12)
QC=Q1×[H0/(H1-S·Q12)]1/2
根據(jù)比例律有:
nmin=n0×[H0/(H1-S·Q12)]1/2
2.2 定速泵對(duì)調(diào)速范圍的影響
實(shí)踐中,供水系統(tǒng)往往是多臺(tái)水泵并聯(lián)供水。由于投資昂貴,不可能將所有水泵全部調(diào)速,所以一般采用調(diào)速泵、定速泵混合供水。在這樣的系統(tǒng)中,應(yīng)注意確保調(diào)速泵與定速泵都能在高效段運(yùn)行,并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)。此時(shí),定速泵就對(duì)與之并列運(yùn)行的調(diào)速泵的調(diào)速范圍產(chǎn)生了較大的影響[2]。主要分以下兩種情況:
2.2.1 同型號(hào)水泵一調(diào)一定并列運(yùn)行時(shí),雖然調(diào)度靈活,但由于無(wú)法兼顧調(diào)速泵與定速泵的高效工作段,因此,此種情況下調(diào)速運(yùn)行的范圍是很小的。
2.2.2 不同型號(hào)水泵一調(diào)一定并列運(yùn)行時(shí),若能達(dá)到調(diào)速泵在額定轉(zhuǎn)速時(shí)高效段右端點(diǎn)揚(yáng)程與定速泵高效段左端點(diǎn)揚(yáng)程相等。則可實(shí)現(xiàn)最大范圍的調(diào)速運(yùn)行。但此時(shí)調(diào)速泵與定速泵絕對(duì)不允許互換后并列運(yùn)行。
2.3 電機(jī)效率對(duì)調(diào)速范圍的影響
在工況相似的情況下,一般有N∝n3,因此隨著轉(zhuǎn)速的下降,軸功率會(huì)急劇下降,但若電機(jī)輸出功率過(guò)度偏移額定功率或者工作頻率過(guò)度偏移工頻,都會(huì)使電機(jī)效率下降過(guò)快,最終都影響到整個(gè)水泵機(jī)組的效率。而且自冷電機(jī)連續(xù)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),也會(huì)因風(fēng)量不足影響散熱,威脅電機(jī)安全運(yùn)行。
3 管路特性曲線(xiàn)對(duì)調(diào)速節(jié)能效果的影響
雖然改變水泵性能曲線(xiàn)是水泵節(jié)能的主要方式,但是在不同的管路特性曲線(xiàn)中,調(diào)速節(jié)能效果的差別卻是十分明顯的。為了直觀(guān)起見(jiàn),這里采用圖2說(shuō)明。在設(shè)計(jì)工況相同的3個(gè)供水系統(tǒng)里(即最大設(shè)計(jì)工況點(diǎn)均為A點(diǎn),均需把流量調(diào)為QB),水泵型號(hào)相同,但管路特性曲線(xiàn)卻不相同,分別為:
?、貶=H1+S1·Q2(H0=H1)
?、贖=H2+S2·Q2(H0=H2,H1>H2)
?、跦=S3·Q2(H0=H3=0)
很顯然,若采用關(guān)閥調(diào)節(jié),則3個(gè)系統(tǒng)滿(mǎn)足流量QB的工況點(diǎn)均為B點(diǎn),對(duì)應(yīng)的軸功率為NB;若采用調(diào)速運(yùn)行,則3個(gè)系統(tǒng)滿(mǎn)足流量QB的工況點(diǎn)分別為C,D,E點(diǎn),其對(duì)應(yīng)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速分別為n1,n2,n3,相應(yīng)的軸功率分別為NC,ND,NE。由于N∝Q·H,所以各點(diǎn)軸功率滿(mǎn)足NB>NC>ND>NE。
可見(jiàn),在管路特性曲線(xiàn)為H=H0+S·Q2的系統(tǒng)中采用調(diào)速節(jié)能時(shí),H0越小,節(jié)能效果越好。反之,當(dāng)H0大到一定程度時(shí),受電機(jī)效率下降和調(diào)速系統(tǒng)本身效率的影響,采用變頻調(diào)速可能不節(jié)能甚至反而增加能源浪費(fèi)。
4 兩種調(diào)速供水方式節(jié)能效果比較
在供水系統(tǒng)中,變頻調(diào)速一般采用以下2種供水方式:變頻恒壓變流量供水和變頻變壓變流量供水。其中,前者應(yīng)用得更廣泛,而后者技術(shù)上更為合理,雖然實(shí)施難度更大,但代表著水泵變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)的發(fā)展方向。
4.1 變頻恒壓(變流量)供水
所謂恒壓供水方式,就是針對(duì)離心泵“流量大時(shí)揚(yáng)程低,流量小時(shí)揚(yáng)程高”的特性,通過(guò)自控變頻系統(tǒng),無(wú)論流量如何變化,都使水泵運(yùn)行揚(yáng)程保持不變,即等于設(shè)計(jì)揚(yáng)程。若采用關(guān)閥調(diào)節(jié),當(dāng)流量由Q2→Q1時(shí),則工況點(diǎn)由A1變?yōu)锳2,浪費(fèi)揚(yáng)程△H=H1-H3=△H1+△H2。若采用變頻恒壓供水,則自動(dòng)將轉(zhuǎn)速調(diào)至n1,工況點(diǎn)處于B1點(diǎn)(參見(jiàn)圖3)。由于變頻調(diào)速是無(wú)級(jí)變速,可以實(shí)現(xiàn)流量的連續(xù)調(diào)節(jié),所以,恒壓供水工況點(diǎn)始終處于直線(xiàn)H=H2上,在控制方式上,只需在水泵出口設(shè)定一個(gè)壓力控制值,比較簡(jiǎn)單易行。顯然,恒壓供水節(jié)約了△H1,而沒(méi)有考慮△H2。因此,它不是最經(jīng)濟(jì)的供水調(diào)節(jié)方式,尤其在管路阻力大,管路特性曲線(xiàn)陡曲的情況下,△H2所占的比重更大,其局限性就顯而易見(jiàn)。
4.2 變頻變壓(交流量)供水
變壓供水方式控制原理和恒壓供水相同,只是壓力設(shè)置不同。它使水泵揚(yáng)程不確定,而是沿管路特性曲線(xiàn)移動(dòng)(參見(jiàn)圖3)。當(dāng)流量由Q2→Q1時(shí),自動(dòng)將轉(zhuǎn)速調(diào)至n2,工況點(diǎn)處于B2點(diǎn)。此時(shí)水泵軸功率n2小于恒壓供水水泵軸功率N1。變壓供水理論上避免了流量減少時(shí)揚(yáng)程的浪費(fèi),顯然優(yōu)于恒壓供水。
但變壓供水本質(zhì)上也是一種恒壓,不過(guò)將水泵出口壓力恒定變成了控制點(diǎn)壓力恒定,它一般有2種形式:
4.2.1 由流量Q確定水泵揚(yáng)程
流量計(jì)將測(cè)得的水泵流量Q反饋給控制器,控制器根據(jù)H=H0+S·Q2確定水泵揚(yáng)程H,通過(guò)調(diào)速使H沿設(shè)計(jì)管路特性曲線(xiàn)移動(dòng)。
但在生產(chǎn)實(shí)踐中情況比較復(fù)雜。對(duì)于單條管路輸水系統(tǒng),是可以得到與之對(duì)應(yīng)的一條管路特性曲線(xiàn)的。而在市政供水管網(wǎng)中,則很難得到一條確定的管路特性曲線(xiàn)。在實(shí)踐中,只能根據(jù)管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況,通過(guò)盡時(shí)能接近實(shí)際的假設(shè),計(jì)算出近似的管路特性曲線(xiàn)。
4.2.2 由最不利點(diǎn)壓力Hm確定水泵揚(yáng)程
即需在管網(wǎng)最不利點(diǎn)設(shè)置壓力遠(yuǎn)傳設(shè)備,并向控制室傳回信號(hào),控制器據(jù)此使水泵按滿(mǎn)足最不利點(diǎn)壓力所需要的揚(yáng)程運(yùn)行、由于管網(wǎng)最不利點(diǎn)往往距離泵站較遠(yuǎn),遠(yuǎn)傳信號(hào)顯得不太方便,而且,在市政供水系統(tǒng)中,由于管網(wǎng)的調(diào)整,用水狀況的變化等隨機(jī)因素的影響,都會(huì)使實(shí)際最不利點(diǎn)和設(shè)計(jì)最不利點(diǎn)發(fā)生一些偏差,給變壓供水的實(shí)施帶來(lái)困難。
5 結(jié)論
?、僮冾l調(diào)速是一種應(yīng)用廣泛的水泵節(jié)能技術(shù),但卻具有較為嚴(yán)格的適用條件,不可能簡(jiǎn)單地應(yīng)用于任何供水系統(tǒng),具體采取何種節(jié)能措施,應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況區(qū)別對(duì)待
②變頻調(diào)速適用于流量不穩(wěn)定,變化頻繁且幅度較大,經(jīng)常流量明顯偏小以及管路損失占總揚(yáng)程比例較大的供水系統(tǒng)。
?、圩冾l調(diào)速個(gè)適用于流量較穩(wěn)定,工況點(diǎn)單一以及靜揚(yáng)程占總揚(yáng)程比例較大的供水系統(tǒng)。
?、茏冾l變壓供水優(yōu)于變頻恒壓供水。
參考文獻(xiàn):
[1]王錫仲,蔣志堅(jiān),高景峰.變頻優(yōu)化調(diào)壓節(jié)能供水裝置的研制[J].給水排水,1998,24(10):64~67.
[2]谷晉龍.水泵調(diào)定混合給水系統(tǒng)運(yùn)行工況分析[J].給水排水,1997,23(12):1~4.
作者簡(jiǎn)介:吳自凱(1969~).男,山西萬(wàn)榮人,工程帥,1991年畢業(yè)于太原工業(yè)大學(xué)環(huán)境與市政工程系.現(xiàn)在山西鋁廠(chǎng)水電分廠(chǎng)技術(shù)科工作,電話(huà)(0359)5042207。
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