风机水泵变频调速节能运行

　 电动机系统节能工程是国家发改委制定的国家中长期节能规划中的重点工程。

　　目前我国各类电动机总装机容量约4.2 亿kW，实际运行率比国外低10%~30%，用电量占全国总用电量的60%左右。如果对这些电动机进行优化改造，推广变频调速、自动化系统控制技术，使运行效率提高2 个百分点，年节电就可达到200 亿kW·h。

　　为了推广变频技术在各行各业中的应用，普及变频技术的理论知识，本刊特邀徐甫荣高工，专门撰写一辑“变频技术应用讲座”，分6 期刊出。主要面向应用变频技术的初学者，从电动机及电力拖动的基本知识入手，由浅入深地讲述变频技术的工作原理，通过工程应用实例，分析应用变频器时会遇到的问题，提出解决方案，指导生产一线的工程技术人员将变频技术用于自己的实际工作中。

1 风机水泵的并联运行

　　泵或风机并联运行的主要目的是增大所输送的流量。但流量增加的幅度大小与管路性能曲线的特性及并联台数有关。图1所示为两台及三台性能相同的20Sh-13型离心泵并联时，在不同陡度管路性能曲线下流量增加幅度的情况，从图可见，当管路性能曲线方程

　　比较两组数据可以看出：管路性能曲线越陡，并联的台数越多，流量增加的幅度就越小。因此，并联运行方式适用于管路性能曲线不十分陡的场合，且并联的台数不宜过多。若实际并联管路性能曲线很陡时，则应采取措施，如增大管径、减少局部阻力等，使管路性能曲线变得平坦些，以获得好的并联效果。

　　1.1 并联泵（或风机）的性能曲线（h-q）或（p-q）两台或两台以上泵（风机）向同一压出管路压送流体的运行方式称为并联运行，如图2 所示。

　　泵（或风机）并联运行的基本规律是：并联后的总流量应等于并联各泵流量之和；并联后产生的扬程与各泵产生的扬程都相等。因此，泵（风机）并联合成后的性能曲线(h-q)并或(p-q)并的作法是：把并联各泵（或风机）的（h-q）或（p-q）曲线上同一扬程（或全压）点上流量值相加，以图2（a）两台泵并联为例，先把这两台泵的性能曲线（h-q）1 和（h-q）2以相同的比例尺绘在同一坐标图上，然后把各个同一扬程值的流量分别相加，如图2（b）所示，取扬程值为h、h＇、h〃、……，对应于（h-q）1 和（h-q）2，上分别为1、1＇、1〃……和2、2′、2″……取q1+ q2、q1＇+ q2＇、q1〃+q2〃……得3、3′、3″……连接3、3′、3″……各点即得合成后泵并联性能曲线（h-q）并，同法可得风机并联性能曲线。

　　1.2 并联泵（或风机）中的一台进行变速调节的并联

　　运行工况点如图3所示，Ⅰ、Ⅱ两台性能相同的泵并联运行。但泵Ⅰ与泵Ⅱ有一台为变速泵，另一台为定速泵。当变速泵与定速泵以相同的额定转速运行时,Ⅰ和Ⅱ的并联性能曲线（h-q）并为Ⅲ，并联运行工况点为M。但当变速泵的转速降低时，并联性能曲线变为如图3中的虚线所示，其并联运行工况点也相应地变为M′、M″、……从图3可以看出，当变速泵的转速降低时，变速泵的流量减小，但定速泵的流量却增大。当变速泵的转速降低到某一转速值时，其输出流量为零，这时并联运行实际上相当于一台定速泵单独运行。若变速泵转速进一步降低，且变速泵出口管路又未设置逆止阀时，就会出现定速泵部分流量向变速泵倒灌，这种现象在实际上是不容许产生的。从图可见，当变速泵的转速由额定转速降低到该泵输出流量为零的转速时，定速泵的流量将由qN增大到qB，这可能会导致定速泵产生过载或泵内汽蚀。为防止定速泵的过载和汽蚀，可在定速泵出口管路设置调节阀，必要时控制其流量。

2 供水系统的水泵运行工况分析

　　2.1 多泵并联运行

　　一般的供水系统都采用多台泵并联运行的方式，并且采用大小泵搭配使用，目的是为了灵活的根据流量决定开泵的台数，降低供水的能耗。供水高峰时，几台大泵同时运行，以保证供水流量；当供水负荷减小时，采用大小泵搭配使用，合理控制流量，晚上或用水低谷时，开一台小泵维持供水压力。

　　多台并联运行的水泵，一般采用关死点扬程（或最大扬程）相同，而流量不同的水泵。这些泵并联运行时，每台泵的出口压力即为母管压力，且一定大于每一台泵单泵运时的出口压力（或扬程），即hN=hA2=hB2=hC2……＞hA1、hB1、hC1……并联运行泵的总出口流量为每台泵出口流量之和，且每台泵的流量一定小于该泵单泵运行时的流量，即qN=qA2+qB2+qC2……<qA1+qB1+qC1……若并联运行的泵的扬程不同，则在并联运行时扬程低的泵的供水流量会比单泵运行时减小很多。

　　因此当管网阻力曲线变化时，容易发生不出水和汽蚀现象。

　　2.2 静扬程对调速范围的影响

　　供水系统的静扬程h0，即供水母管的最小压力，水泵在静扬程下消耗的功率称为空载功率：在流量为零时，水泵所消耗的最大功率。十分明显的是，静扬程越高，空载功率所占的比例越大，调速范围越小，调节转速的节能效果就越差。

　　静扬程可由水泵进水口和出水口的落差形成，也可由管网阻力曲线形成，也可由用户要求的供水压力来决定。如锅炉给水泵，必须大于汽包压力才能进水。当然也可由变/定水泵并列运行的定速水泵的出口压力造成。
2.3 变频泵与工频泵的并联运行分析

　　2.3.1 变频泵与工频泵并联运行时总的性能曲线

这时总的特性曲线与关死点扬程（最大扬程）不同，流量也不同的水泵并联运行时的情况非常类似，可以用相同的方法来分析，如图4所示。

　　1）F1为工频泵的性能曲线，也是变频泵在50 Hz下满负荷运行时的性能曲线（假定变频泵与工频泵性能相同），工频泵单泵运行时的工作点A1。

　　2）F2为变频泵在频率f2时的性能曲线，变频泵在频率f2单独运行时的工作点B1。

　　3）F3为变频和工频水泵并联运行的总的性能曲线，工作点C，扬程hC，流量qC=qA2＋qB2。

　　2.3.2 变频泵与工频泵并联运行时的特点

　　1）F2不仅仅是一条曲线，而是F1性能曲线下方偏左的一系列曲线族。F3也不仅仅是一条曲线，而是在F1性能曲线右方偏上的一系列曲线族。

　　2）F2变化时，F3也随着变化。工作点C也跟着变化。因此变频泵的扬程hB2，流量qB2，工频泵扬程hA2 流量qA2，以及总的扬程hC= hB2= hA2，和总流量qC=qA2＋qB2都会随着频率f2的变化而变化。

　　3）随着变频泵频率f2 的降低，变频泵的扬程逐渐降低。变频泵流量qB2快速减少；工作点C的扬程也随着降低，使总的流量qC减少；因此工频泵的扬程也降低，使工频泵流量qA2 反而略有增加，此时要警惕工频泵过载。

　　2.3.3 并联运行特性之一（f2 =f1 = 50 Hz）

　　变频泵与工频泵并联运行频率f2= f1=50 Hz的性能曲线，如图5所示。

　　1）F1为工频泵的性能曲线，也是变频泵在满负荷运行时的性能曲线（假定变频泵与工频泵性能相同），工频泵和变频泵单泵运行时的工作点A1。

　　2）F3为变频泵和工频泵并联运行的总的性能曲线，工作点C，扬程hC= hB2= hA2 等于每台泵的扬程，每台泵的流量qA2=qB2，总流量qC=qA2＋qB2=2qA2。即当f2 = f1 = 50 Hz时，变频泵与工频泵并联运行时的特性，与两台性能相同的泵并联运行时完全一样。

　　2.3.4 并联运行特例之二（f2 = fmin）

　　变频泵与工频泵并联运行频率f2 = fmin的性能曲线，如图6 所示。

　　1）F1为工频泵的性能曲线，工频泵单泵运行时的工作点A1。

　　2）F2为f2= fmin，即变频泵最低频率下单泵运行时的性能曲线。

　　3）F3 为变频和工频泵并联运行的总的性能曲线，工作点C 不与F3 相交，只与F1 相交，扬程hC=hA1= hA2= hB2 等于每台泵的扬程，工频泵的流量qA2=qA1，总流量qC=qA2=qA1，qB2=0。

　　即当f2=fmin时，变频泵的扬程不能超过工频泵的扬程，因此变频泵的流量为零。变频泵与工频泵并联运行时总的性能曲线，与单台工频泵运行时的性能曲线相同，变频泵没有流量输出，但仍然消耗一定的功率。

　　4）在此运行状况中，变频泵的效率降到最低，因此变频泵最好不要工作在这种工况中。

　　5）在这种特例中，变频泵极易产生汽蚀现象，易造成泵的损坏，解决的办法是将再循环打开，使泵保持一定的最小流量，但这样做使泵的能耗增加。

　　2.3.5 运行特例之三（忽略管网阻力）

　　水泵变频运行不论是单泵运行还是并联运行都有一个极端理想的特例，就是只有净扬程，没有管网阻力，或者管网阻力与净扬程相比可以忽略，则管网阻力曲线可以看成是一条与净扬程平行的一条直线。

　　水泵将水通过粗管道垂直向上打入一个开口的蓄水池就是属于这种情况。电厂锅炉给水泵系统中，由于给水压力极高，管网阻力相对较小，因此采用变频运行时也可以看成属于这种情况，其运行曲线如图7所示。

　　1）F1为变频器最高运行频率性能曲线。工作点A，F2和F3为变频运行性能曲线，h0为实际扬程。

　　2）图7 中不论怎样调节频率，扬程都恒定不变，只是流量变化，水泵的输出功率只随流量的变化而变化。从图7中可以看出，随着频率的减少，微小的频率变化Δf会引起很能大的流量变化Δq。性能曲线越平坦，Δf引起的Δq 就越大，因此频率越低，流量越小时这种变化就越大。所以说频率与流量之间的关系为qA/（f1－fmin）是一种非线性的，但很难说是几次方的关系。由于功率与流量成正比，功率与频率的关系为h0 qA/（f1－fmin），也很难说与频率是几次方的关系。

　　3）在这种情况下进行变频运行时，流量不宜太小，以防止微小的频率或转速的变化引起流量较大的变化，造成水泵流量不稳定。

　　4）fmin越高，f1－fmin就越小，流量和功率随着频率的变化就越大。

　　2.4 高性能离心泵群的变频控制方案

　　2.4.1 恒压供水的控制特点

　　供水控制，归根结底，是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是供水系统的基本控制对象，但流量的检测比较困难，费用也较高。考虑到在动态供水情况下，供水管道中水的压力p 的大小与供水能力和用水需求之间的平衡情况有关：当供水能力大于用水量时，管道压力上升；当供水能力小于用水量时，则管道压力下降；当供水能力等于用水量时，则管道压力保持不变。可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在供水压力的变化上。从而压力就成了用来作为控制流量大小的参变量，也就是说，保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了使供水能力和用水需求处于平衡状态，恰到好处地满足了用户的用水要求，此为恒压供水所要达到的目的。

　　2.4.2 高性能离心泵的变频控制方案

　　高性能离心式水泵由于采用了三元流动，进口导叶等先进技术，离心式水泵的特性曲线已经做得非常平坦，高效率的工作区域很宽，这也正是水泵生产厂家努力追求的目标。但是这样的水泵在定压供水工况下，其调速的范围很小。供水系统的静扬程越大，也就是空载功率所占的比例越大，水泵特性越平坦，调速范围就越小，通过调节转速获得的节能效果也就越差。

　　对于定压供水系统的高效离心水泵群如果采用“一变多定”配置的控制方案，则会引起一些问题。图6是定压供水系统中变频水泵的调速特性曲线图，从图中容量看出，在定压供水系统中，变频水泵新的工况点也就是变频泵特性曲线和等压线的交点。因水泵的特性曲线非常平坦，变频器的调速范围非常小。

　　因为供水压力小的波动（这在供水系统中是很常见的）。新的工况点会发生剧烈变动，工况点极不稳定。

　　虽然在控制程序中可以采用软件滤波的方法改善不稳定的情况，但变、定水泵配置方案运行匹配较为困难，而且节能效果有限却是肯定的，这也是和采用变频节能控制的初衷相违背的。因此对于实际工程中的高性能离心泵机群，所有泵都采用变频调速控制才是合理的。

　　2.4.3 变、定水泵并列运行

　　在实际工程中，考虑到投资的可能性和运行工况的必要性，也常设计变、定水泵的并列运行方式，但应考虑以下方面的因素。

　　首先，在满足最大设计水量的基础上，尽量使调速高效特性曲线接近系统的特性曲线，也就是说，尽量将各种调速泵组合的高效区能套入出现概率最高的工作段或点上。调速水泵的台数，应是全年内运行工况中开泵运行时间最长的台数，而备用泵则采用工频定速泵。当一台调速泵出现故障时，可以允许一台工频定速泵运行，其综合效率会稍有降低，而扬程则会有所增加。

　　在变、定速泵并列运行时，供水工作压力应保证定速泵工作在高效区，以提高定速泵的效率。并列泵组中，变频调速泵的台数越多，节能效果越好。在多泵并列供水系统中，只上一台变频调速泵的效果不大，且很难匹配。必须只上一台时，也要选扬程最高，流量最大的那一台，其效果会较好些。

　　在多台调速泵并列运行时，所有的调速泵应在同一转速下运行；对于关死点扬程不同的泵，则应保证各泵的出口扬程（压力）基本一致，这时的转速就不一样了，要进行折算，就不容易匹配了。

3 结语

　　1）在定压供水系统中，变频调速泵的功耗，只和其流量的一次方成正比，不存在和转速的三次方成正比的关系。

　　2）对于高性能的离心水泵机群，不宜采用“一变多定”设计方案。运行水泵应全部为调速泵，且要保持出口压力相同；“一变多定”的调速泵，应是泵群中扬程和流量最大的那一台。

　　3）宣传应实事求是，不能随意夸大节能效果，以免误导和欺骗用户。