水泵變頻調速無負壓節能供水設備應用的注意事項
水泵變頻調速無負壓節能供水設備應用的注意事項
近幾年變頻調速無負壓節能供水設備在供水系統發展很快，但在實際應用中仍然存在著較大的盲目性，導致節能效果不盡人意。本文針對變頻調速無負壓節能供水設備在水泵節能方面談一些淺顯的看法，以供商酌。
1 變頻調速無負壓節能供水設備與水泵節能
水泵節能離不開工況點的合理調節。其調節方式不外乎以下兩種：管路特性曲線的調節，如關閥調節；水泵特性曲線的調節，如水泵調速、葉輪切削等。在節能效果方面，改變水泵性能曲線的方法，比改變管路特性曲線要顯著得多[1]。因此，改變水泵性能曲線成為水泵節能的主要方式。而變頻調速無負壓節能供水設備在改變水泵性能曲線和自動控制方面優勢明顯，因而應用廣泛。但同時應該引起注意的是，影響變頻調速節能效果的因素很多，如果盲目選用，很可能事與愿違。
2 影響變頻調速無負壓節能供水設備范圍的因素
水泵調速一般是減速問題。當采用變頻調速時，原來按工頻狀態設計的泵與電機的運行參數均發生了較大的變化，另外如管路特性曲線、與調速泵并列運行的定速泵等因素，都會對調速的范圍產生，一，定影響。超范圍調速則難以實現節能的目的。因此，變頻調速不可能，無，限，制調速。一般認為，變頻調速不宜低于額定轉速50％，處于75％～100％較好，并應結合實際經計算確定。
2.1 水泵工藝特點對調速范圍的影響
理論上，水泵調速高，效區為通過工頻高，效區左右端點的兩條相似工況拋物線的中間區域OA1A2（見圖1）。實際上，當水泵轉速過小時，泵的效率將急劇下降，受此影響，水泵調速高，效區萎縮為PA1A2[2]（顯然，若運行工況點已超出該區域，則不宜采用調速來節能了。）圖中H0B為管路特性曲線，則CB段成為調速運行的高，效區間。為簡化計算，認為C點位于曲線OA1上，因此，C點和A1點的效率在理論上是相等的。C點就成為較小轉速時水泵性能曲線高，效區的左端點。
因此，較小轉速可這樣求得：
由于C點和A1點工況相似，根據比例律有：
(QC/Q1)2=HC/H1
C點在曲線H=H0+S·Q2上有：
HC=H0+S·QC2
其中，HC、QC為未知數，解方程得：
HC=H1×H0/(H1-S·Q12)
QC=Q1×[H0/(H1-S·Q12)]1/2
根據比例律有：
nmin=n0×[H0/(H1-S·Q12)]1/2
2.2 定速泵對調速范圍的影響
實踐中，供水系統往往是多臺水泵并聯供水。由于投資昂貴，不可能將所有水泵全部調速，所以一般采用調速泵、定速泵混合供水。在這樣的系統中，應注意確保調速泵與定速泵都能在高，效段運行，并實現系統較優。此時，定速泵就對與之并列運行的調速泵的調速范圍產生了較大的影響[2]。主要分以下兩種情況：
2.2.1 同型號水泵一調，一，定，并列運行時，雖然調度靈活，但由于無法兼顧調速泵與定速泵的高，效工作段，因此，此種情況下調速運行的范圍是很小的。
2.2.2 不同型號水泵一調，一，定，并列運行時，若能達到調速泵在額定轉速時高，效段右端點揚程與定速泵高，效段左端點揚程相等。則可實現較大范圍的調速運行。但此時調速泵與定速泵 不允許互換后并列運行。
2.3 電機效率對調速范圍的影響
在工況相似的情況下，一般有N∝n3，因此隨著轉速的下降，軸功率會急劇下降，但若電機輸出功率過度偏移額定功率或者工作頻率過度偏移工頻，都會使電機效率下降過快， 終都影響到整個水泵機組的效率。而且自冷電機連續低速運轉時，也會因風量不足影響散熱，威脅電機安全運行。
3 管路特性曲線對調速節能效果的影響
雖然改變水泵性能曲線是水泵節能的主要方式，但是在不同的管路特性曲線中，調速節能效果的差別卻是十分明顯的。為了直觀起見，這里采用圖2說明。在設計工況相同的3個供水系統里（即較大設計工況點均為A點，均需把流量調為QB），水泵型號相同，但管路特性曲線卻不相同，分別為：
①H=H1+S1·Q2（H0=H1）
②H=H2+S2·Q2（H0=H2，H1＞H2）
③H=S3·Q2（H0=H3=0）
很顯然，若采用關閥調節，則3個系統滿足流量QB的工況點均為B點，對應的軸功率為NB；若采用調速運行，則3個系統滿足流量QB的工況點分別為C，D，E點，其對應的運行轉速分別為n1，n2，n3，相應的軸功率分別為NC，ND，NE。由于N∝Q·H，所以各點軸功率滿足NB＞NC＞ND＞NE。
可見，在管路特性曲線為H=H0+S·Q2的系統中采用調速節能時，H0越小，節能效果越好。反之，當H0大到，一，定，程度時，受電機效率下降和調速系統本身效率的影響，采用變頻調速可能不節能甚至反而增加能源浪費。
4 兩種調速供水方式節能效果比較
在供水系統中，變頻調速無負壓節能供水設備一般采用以下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，前者應用得更廣泛，而后者技術上更為合理，雖然實施難度更大，但代表著水泵變頻調速節能技術的發展方向。
4.1 變頻恒壓（變流量）供水
所謂恒壓供水方式，就是針對離心泵“流量大時揚程低，流量小時揚程高”的特性，通過自控變頻系統，無論流量如何變化，都使水泵運行揚程保持不變，即等于設計揚程。若采用關閥調節，當流量由Q2→Q1時，則工況點由A1變為A2，浪費揚程△H=H1-H3=△H1+△H2。若采用變頻恒壓供水，則自動將轉速調至n1，工況點處于B1點（參見圖3）。由于變頻調速是無級變速，可以實現流量的連續調節，所以，恒壓供水工況點始終處于直線H=H2上，在控制方式上，只需在水泵出口設定一個壓力控制值，比較簡單易行。顯然，恒壓供水節約了△H1，而沒有考慮△H2。因此，它不是較經濟的供水調節方式，尤其在管路阻力大，管路特性曲線陡曲的情況下，△H2所占的比重更大，其局限性就顯而易見。
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，只是壓力設置不同。它使水泵揚程不確定，而是沿管路特性曲線移動（參見圖3）。當流量由Q2→Q1時，自動將轉速調至n2，工況點處于B2點。此時水泵軸功率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揚程的浪費，顯然優于恒壓供水。
但變壓供水本質上也是一種恒壓，不過將水泵出口壓力恒定變成了控制點壓力恒定，它一般有2種形式：
4.2.1 由流量Q確定水泵揚程
流量計將測得的水泵流量Q反饋給控制器，控制器根據H=H0+S·Q2確定水泵揚程H，通過調速使H沿設計管路特性曲線移動。
但在生產實踐中情況比較復雜。對于單條管路輸水系統，是可以得到與之對應的一條管路特性曲線的。而在市政供水管網中，則很難得到一條確定的管路特性曲線。在實踐中，只能根據管網實際運行情況，通過盡時能接近實際的假設，計算出近似的管路特性曲線。
4.2.2 由較不利點壓力Hm確定水泵揚程
即需在管網較不利點設置壓力遠傳設備，并向控制室傳回信號，控制器據此使水泵按滿足較不利點壓力所需要的揚程運行、由于管網較不利點往往距離泵站較遠，遠傳信號顯得不太方便，而且，在市政供水系統中，由于管網的調整，用水狀況的變化等隨機因素的影響，都會使實際較不利點和設計較不利點發生一些偏差，給變壓供水的實施帶來困難。
5 無負壓節能供水設備結論
①變頻調速無負壓節能供水設備是一種應用廣泛的水泵節能技術，但卻具有較為嚴格的適用條件，不可能簡單地應用于任何供水系統，具體采取何種節能措施，應結合實際情況區別對待
②變頻調速適用于流量不穩定，變化頻繁且幅度較大，經常流量明顯偏小以及管路損失占總揚程比例較大的供水系統。
③變頻調速個適用于流量較穩定，工況點單一以及靜揚程占總揚程比例較大的供水系統。
④變頻變壓供水優于變頻恒壓供水。
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