風機水泵變頻調速節能運行原理分析

文章摘要：1 風機水泵的并聯運行 泵或 風機 并聯運行的主要目的是增大所輸送的流量。但流量增加的幅度大小與管路性能曲線的特性及并聯臺數有關。圖1所示為兩臺及三臺性能相同的20Sh-13型離心泵并聯時，在不同陡度管路性能曲線下流量增加幅度的情況，從圖可見，當管路性

1 風機水泵的并聯運行
泵或風機并聯運行的主要目的是增大所輸送的流量。但流量增加的幅度大小與管路性能曲線的特性及并聯臺數有關。圖1所示為兩臺及三臺性能相同的20Sh-13型離心泵并聯時，在不同陡度管路性能曲線下流量增加幅度的情況，從圖可見，當管路性能曲線方程為 從圖中查得：

 
 
比較兩組數據可以看出：管路性能曲線越陡，并聯的臺數越多，流量增加的幅度就越小。因此，并聯運行方式適用于管路性能曲線不十分陡的場合，且并聯的臺數不宜過多。若實際并聯管路性能曲線很陡時，則應采取措施，如增大管徑、減少局部阻力等，使管路性能曲線變得平坦些，以獲得好的并聯效果。
 
1.1 并聯泵（或風機）的性能曲線（h-q）或（p-q）兩臺或兩臺以上泵（風機）向同一壓出管路壓送流體的運行方式稱為并聯運行，如圖2 所示。
泵（或風機）并聯運行的基本規律是：并聯后的總流量應等于并聯各泵流量之和；并聯后產生的揚程與各泵產生的揚程都相等。因此，泵（風機）并聯合成后的性能曲線(h-q)并或(p-q)并的作法是：把并聯各泵（或風機）的（h-q）或（p-q）曲線上同一揚程（或全壓）點上流量值相加，以圖2（a）兩臺泵并聯為例，先把這兩臺泵的性能曲線（h-q）1 和（h-q）2以相同的比例尺繪在同一坐標圖上，然后把各個同一揚程值的流量分別相加，如圖2（b）所示，取揚程值為h、h＇、h〃、……，對應于（h-q）1 和（h-q）2，上分別為1、1＇、1〃……和2、2′、2″……取q1+ q2、q1＇+ q2＇、q1〃+q2〃……得3、3′、3″……連接3、3′、3″……各點即得合成后泵并聯性能曲線（h-q）并，同法可得風機并聯性能曲線。
1.2 并聯泵（或風機）中的一臺進行變速調節的并聯
運行工況點如圖3所示，Ⅰ、Ⅱ兩臺性能相同的泵并聯運行。但泵Ⅰ與泵Ⅱ有一臺為變速泵，另一臺為定速泵。當變速泵與定速泵以相同的額定轉速運行時,Ⅰ和Ⅱ的并聯性能曲線（h-q）并為Ⅲ，并聯運行工況點為M。但當變速泵的轉速降低時，并聯性能曲線變為如圖3中的虛線所示，其并聯運行工況點也相應地變為M′、M″、……從圖3可以看出，當變速泵的轉速降低時，變速泵的流量減小，但定速泵的流量卻增大。當變速泵的轉速降低到某一轉速值時，其輸出流量為零，這時并聯運行實際上相當于一臺定速泵單獨運行。若變速泵轉速進一步降低，且變速泵出口管路又未設置逆止閥時，就會出現定速泵部分流量向變速泵倒灌，這種現象在實際上是不容許產生的。從圖可見，當變速泵的轉速由額定轉速降低到該泵輸出流量為零的轉速時，定速泵的流量將由qN增大到qB，這可能會導致定速泵產生過載或泵內汽蝕。為防止定速泵的過載和汽蝕，可在定速泵出口管路設置調節閥，必要時控制其流量。
 
2 供水系統的水泵運行工況分析
2.1 多泵并聯運行
一般的供水系統都采用多臺泵并聯運行的方式，并且采用大小泵搭配使用，目的是為了靈活的根據流量決定開泵的臺數，降低供水的能耗。供水高峰時，幾臺大泵同時運行，以保證供水流量；當供水負荷減小時，采用大小泵搭配使用，合理控制流量，晚上或用水低谷時，開一臺小泵維持供水壓力。
多臺并聯運行的水泵，一般采用關死點揚程（或最大揚程）相同，而流量不同的水泵。這些泵并聯運行時，每臺泵的出口壓力即為母管壓力，且一定大于每一臺泵單泵運時的出口壓力（或揚程），即hN=hA2=hB2=hC2……＞hA1、hB1、hC1……并聯運行泵的總出口流量為每臺泵出口流量之和，且每臺泵的流量一定小于該泵單泵運行時的流量，即qN=qA2+qB2+qC2……<qA1+qB1+qC1……若并聯運行的泵的揚程不同，則在并聯運行時揚程低的泵的供水流量會比單泵運行時減小很多。
因此當管網阻力曲線變化時，容易發生不出水和汽蝕現象。
2.2 靜揚程對調速范圍的影響
供水系統的靜揚程h0，即供水母管的最小壓力，水泵在靜揚程下消耗的功率稱為空載功率：在流量為零時，水泵所消耗的最大功率。十分明顯的是，靜揚程越高，空載功率所占的比例越大，調速范圍越小，調節轉速的節能效果就越差。
靜揚程可由水泵進水口和出水口的落差形成，也可由管網阻力曲線形成，也可由用戶要求的供水壓力來決定。如鍋爐給水泵，必須大于汽包壓力才能進水。當然也可由變/定水泵并列運行的定速水泵的出口壓力造成。
2.3 變頻泵與工頻泵的并聯運行分析
2.3.1 變頻泵與工頻泵并聯運行時總的性能曲線
這時總的特性曲線與關死點揚程（最大揚程）不同，流量也不同的水泵并聯運行時的情況非常類似，可以用相同的方法來分析，如圖4所示。
 
1）F1為工頻泵的性能曲線，也是變頻泵在50 Hz下滿負荷運行時的性能曲線（假定變頻泵與工頻泵性能相同），工頻泵單泵運行時的工作點A1。
2）F2為變頻泵在頻率f2時的性能曲線，變頻泵在頻率f2單獨運行時的工作點B1。
3）F3為變頻和工頻水泵并聯運行的總的性能曲線，工作點C，揚程hC，流量qC=qA2＋qB2。
2.3.2 變頻泵與工頻泵并聯運行時的特點
1）F2不僅僅是一條曲線，而是F1性能曲線下方偏左的一系列曲線族。F3也不僅僅是一條曲線，而是在F1性能曲線右方偏上的一系列曲線族。
2）F2變化時，F3也隨著變化。工作點C也跟著變化。因此變頻泵的揚程hB2，流量qB2，工頻泵揚程hA2 流量qA2，以及總的揚程hC= hB2= hA2，和總流量qC=qA2＋qB2都會隨著頻率f2的變化而變化。
3）隨著變頻泵頻率f2 的降低，變頻泵的揚程逐漸降低。變頻泵流量qB2快速減少；工作點C的揚程也隨著降低，使總的流量qC減少；因此工頻泵的揚程也降低，使工頻泵流量qA2 反而略有增加，此時要警惕工頻泵過載。
2.3.3 并聯運行特性之一（f2 =f1 = 50 Hz）
變頻泵與工頻泵并聯運行頻率f2= f1=50 Hz的性能曲線，如圖5所示。
 
1）F1為工頻泵的性能曲線，也是變頻泵在滿負荷運行時的性能曲線（假定變頻泵與工頻泵性能相同），工頻泵和變頻泵單泵運行時的工作點A1。
2）F3為變頻泵和工頻泵并聯運行的總的性能曲線，工作點C，揚程hC= hB2= hA2 等于每臺泵的揚程，每臺泵的流量qA2=qB2，總流量qC=qA2＋qB2=2qA2。即當f2 = f1 = 50 Hz時，變頻泵與工頻泵并聯運行時的特性，與兩臺性能相同的泵并聯運行時完全一樣。
2.3.4 并聯運行特例之二（f2 = fmin）
變頻泵與工頻泵并聯運行頻率f2 = fmin的性能曲線，如圖6 所示。
1）F1為工頻泵的性能曲線，工頻泵單泵運行時的工作點A1。
2）F2為f2= fmin，即變頻泵最低頻率下單泵運行時的性能曲線。
3）F3 為變頻和工頻泵并聯運行的總的性能曲線，工作點C 不與F3 相交，只與F1 相交，揚程hC=hA1= hA2= hB2 等于每臺泵的揚程，工頻泵的流量qA2=qA1，總流量qC=qA2=qA1，qB2=0。
即當f2=fmin時，變頻泵的揚程不能超過工頻泵的揚程，因此變頻泵的流量為零。變頻泵與工頻泵并聯運行時總的性能曲線，與單臺工頻泵運行時的性能曲線相同，變頻泵沒有流量輸出，但仍然消耗一定的功率。
4）在此運行狀況中，變頻泵的效率降到最低，因此變頻泵最好不要工作在這種工況中。
5）在這種特例中，變頻泵極易產生汽蝕現象，易造成泵的損壞，解決的辦法是將再循環打開，使泵保持一定的最小流量，但這樣做使泵的能耗增加。
 
2.3.5 運行特例之三（忽略管網阻力）
水泵變頻運行不論是單泵運行還是并聯運行都有一個極端理想的特例，就是只有凈揚程，沒有管網阻力，或者管網阻力與凈揚程相比可以忽略，則管網阻力曲線可以看成是一條與凈揚程平行的一條直線。
水泵將水通過粗管道垂直向上打入一個開口的蓄水池就是屬于這種情況。電廠鍋爐給水泵系統中，由于給水壓力極高，管網阻力相對較小，因此采用變頻運行時也可以看成屬于這種情況，其運行曲線如圖7所示。
 
1）F1為變頻器最高運行頻率性能曲線。工作點A，F2和F3為變頻運行性能曲線，h0為實際揚程。
2）圖7 中不論怎樣調節頻率，揚程都恒定不變，只是流量變化，水泵的輸出功率只隨流量的變化而變化。從圖7中可以看出，隨著頻率的減少，微小的頻率變化Δf會引起很能大的流量變化Δq。性能曲線越平坦，Δf引起的Δq 就越大，因此頻率越低，流量越小時這種變化就越大。所以說頻率與流量之間的關系為qA/（f1－fmin）是一種非線性的，但很難說是幾次方的關系。由于功率與流量成正比，功率與頻率的關系為h0 qA/（f1－fmin），也很難說與頻率是幾次方的關系。
3）在這種情況下進行變頻運行時，流量不宜太小，以防止微小的頻率或轉速的變化引起流量較大的變化，造成水泵流量不穩定。
4）fmin越高，f1－fmin就越小，流量和功率隨著頻率的變化就越大。
2.4 高性能離心泵群的變頻控制方案
2.4.1 恒壓供水的控制特點
供水控制，歸根結底，是為了滿足用戶對流量的需求。所以，流量是供水系統的基本控制對象，但流量的檢測比較困難，費用也較高。考慮到在動態供水情況下，供水管道中水的壓力p 的大小與供水能力和用水需求之間的平衡情況有關：當供水能力大于用水量時，管道壓力上升；當供水能力小于用水量時，則管道壓力下降；當供水能力等于用水量時，則管道壓力保持不變。可見，供水能力與用水需求之間的矛盾具體地反映在供水壓力的變化上。從而壓力就成了用來作為控制流量大小的參變量，也就是說，保持供水系統中某處壓力的恒定，也就保證了使供水能力和用水需求處于平衡狀態，恰到好處地滿足了用戶的用水要求，此為恒壓供水所要達到的目的。
2.4.2 高性能離心泵的變頻控制方案
高性能離心式水泵由于采用了三元流動，進口導葉等先進技術，離心式水泵的特性曲線已經做得非常平坦，高效率的工作區域很寬，這也正是水泵生產廠家努力追求的目標。但是這樣的水泵在定壓供水工況下，其調速的范圍很小。供水系統的靜揚程越大，也就是空載功率所占的比例越大，水泵特性越平坦，調速范圍就越小，通過調節轉速獲得的節能效果也就越差。
對于定壓供水系統的高效離心水泵群如果采用“一變多定”配置的控制方案，則會引起一些問題。圖6是定壓供水系統中變頻水泵的調速特性曲線圖，從圖中容量看出，在定壓供水系統中，變頻水泵新的工況點也就是變頻泵特性曲線和等壓線的交點。因水泵的特性曲線非常平坦，變頻器的調速范圍非常小。
因為供水壓力小的波動（這在供水系統中是很常見的）。新的工況點會發生劇烈變動，工況點極不穩定。
雖然在控制程序中可以采用軟件濾波的方法改善不穩定的情況，但變、定水泵配置方案運行匹配較為困難，而且節能效果有限卻是肯定的，這也是和采用變頻節能控制的初衷相違背的。因此對于實際工程中的高性能離心泵機群，所有泵都采用變頻調速控制才是合理的。
2.4.3 變、定水泵并列運行
在實際工程中，考慮到投資的可能性和運行工況的必要性，也常設計變、定水泵的并列運行方式，但應考慮以下方面的因素。
首先，在滿足最大設計水量的基礎上，盡量使調速高效特性曲線接近系統的特性曲線，也就是說，盡量將各種調速泵組合的高效區能套入出現概率最高的工作段或點上。調速水泵的臺數，應是全年內運行工況中開泵運行時間最長的臺數，而備用泵則采用工頻定速泵。當一臺調速泵出現故障時，可以允許一臺工頻定速泵運行，其綜合效率會稍有降低，而揚程則會有所增加。
在變、定速泵并列運行時，供水工作壓力應保證定速泵工作在高效區，以提高定速泵的效率。并列泵組中，變頻調速泵的臺數越多，節能效果越好。在多泵并列供水系統中，只上一臺變頻調速泵的效果不大，且很難匹配。必須只上一臺時，也要選揚程最高，流量最大的那一臺，其效果會較好些。
在多臺調速泵并列運行時，所有的調速泵應在同一轉速下運行；對于關死點揚程不同的泵，則應保證各泵的出口揚程（壓力）基本一致，這時的轉速就不一樣了，要進行折算，就不容易匹配了
3 結束語
1）在定壓供水系統中，變頻調速泵的功耗，只和其流量的一次方成正比，不存在和轉速的三次方成正比的關系。
2）對于高性能的離心水泵機群，不宜采用“一變多定”設計方案。運行水泵應全部為調速泵，且要保持出口壓力相同；“一變多定”的調速泵，應是泵群中揚程和流量最大的那一臺。

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