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變頻水泵的選型原理及計(jì)算
時(shí)間：2012/2/26 來源：浙江揚(yáng)子江泵業(yè)有限公司
現(xiàn)代哲學(xué)認(rèn)為，世界上任何事物都是以系統(tǒng)的方式運(yùn)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(shí)都是目標(biāo)跟蹤過程，而其實(shí)現(xiàn)的模式就是自動(dòng)控制學(xué)科中單回路負(fù)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(gè)子系統(tǒng)，一個(gè)環(huán)節(jié)，它的任務(wù)是為系統(tǒng)的大目標(biāo)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(biāo)、任務(wù)。水系統(tǒng)的主要任務(wù)、目標(biāo)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(gè)要求，水系統(tǒng)不利環(huán)路的資用壓力達(dá)不到設(shè)計(jì)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(jì)就是失敗的。為了達(dá)到水系統(tǒng)這個(gè)目標(biāo)、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(biāo)是非常明確的。定壓供水系統(tǒng)可以說是在實(shí)際供水系統(tǒng)中常見的。這點(diǎn)，從水系統(tǒng)的計(jì)算方法中也可以看出。通過系統(tǒng)分析，變頻器在四個(gè)環(huán)節(jié)(傳感器、控制器、執(zhí)行器、被控對(duì)象)組成的水控制系統(tǒng)中擔(dān)任“執(zhí)行器"的角色。從自動(dòng)控制理論可知，供水系統(tǒng)跟蹤的目標(biāo)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(duì)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(dòng)完全相似的條件下(即滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)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(biāo)為O的參數(shù)，為額定工況參數(shù)，下標(biāo)為1的參數(shù)是轉(zhuǎn)速為n。時(shí)的參數(shù)。
(1)-(3)三個(gè)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(shí)際上泵是在水系統(tǒng)中運(yùn)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(diǎn)來看，對(duì)泵完全相似要求的三個(gè)相似條件，是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言的，而不是單單對(duì)泵的條件，否則泵也不可能處在相似工況運(yùn)行，這點(diǎn)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(diǎn)A。和額定工況點(diǎn)Ao完全相似，才有上述的3個(gè)關(guān)系式，其他任何點(diǎn)，比如n。和等壓線P0的交點(diǎn)C就沒有上面3個(gè)關(guān)系1如果不分泵的運(yùn)行情況就宣稱變頻泵功耗和轉(zhuǎn)速3次方成正比，這絕對(duì)是誤導(dǎo)讀者。在論述泵相似工況時(shí)是把泵從水系統(tǒng)中孤立出來分析的，實(shí)際泵是在水系統(tǒng)中運(yùn)行的，它是水系統(tǒng)不可分割的一部分，從系統(tǒng)的觀點(diǎn)來看，對(duì)泵完全相似運(yùn)行的三個(gè)要求，是對(duì)整個(gè)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(yùn)行．因此泵變頻運(yùn)行時(shí)閥門開度不能變動(dòng)，才能保持相似。如果閥門在變頻過程中開度變動(dòng)，便破壞了水系統(tǒng)相似流動(dòng)的基礎(chǔ)——幾何相似。系統(tǒng)不在相似工況運(yùn)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(yùn)行。由系統(tǒng)分析可知，水系統(tǒng)在相似工況運(yùn)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(yùn)行簡(jiǎn)單的方法是用泵變頻時(shí)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(yùn)行．節(jié)能效果顯著：閥門開度變化，泵就不在相似工況運(yùn)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(diǎn)作者在文獻(xiàn)[3]中有詳細(xì)的論述．
在定壓供水系統(tǒng)中，變頻泵在新工況點(diǎn)C的功耗和轉(zhuǎn)速不再有簡(jiǎn)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(dòng)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(shí)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(shí)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(diǎn)還可以從因次分析中清楚地看出.
2變頻補(bǔ)水泵的選型分析
補(bǔ)水系統(tǒng)中,補(bǔ)水泵的作用是將水上揚(yáng)到一定的高度(循環(huán)系統(tǒng)定壓點(diǎn)) 及克服補(bǔ)水管路系統(tǒng)的阻力。式(1) 中的Hcon 為補(bǔ)水點(diǎn)的循環(huán)系統(tǒng)定壓值,這里用Ha 表示,補(bǔ)水系統(tǒng)管路特性表達(dá)式為H = Ha + S Q2 (6)
當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí),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(diǎn)從A 點(diǎn)移至B 點(diǎn),流量從QA 減小為QB ,揚(yáng)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(diǎn),能夠正常向系統(tǒng)補(bǔ)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(shí),水泵的揚(yáng)程HC 低于補(bǔ)水點(diǎn)的循環(huán)系統(tǒng)定壓值Ha ,水泵無法向系統(tǒng)補(bǔ)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(yáng)程不足。但在變頻補(bǔ)水泵的實(shí)際運(yùn)行調(diào)節(jié)中,是否會(huì)影響系統(tǒng)的正常定壓,還需進(jìn)一步研究。離心式水泵在額定頻率以下運(yùn)行時(shí),由于負(fù)載
圖2 補(bǔ)水泵特性曲線和管路特性曲線
轉(zhuǎn)矩減小較多,而電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(shí),泵本身效率明顯下降,是不經(jīng)濟(jì)的。在合理的調(diào)速范圍(70 %～100 %) 內(nèi),水泵的揚(yáng)程一般不會(huì)低于補(bǔ)水點(diǎn)的循環(huán)系統(tǒng)定壓值Ha ,水泵可以向系統(tǒng)正常補(bǔ)水。即使在系統(tǒng)補(bǔ)水量較小的情況下,水泵運(yùn)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(diǎn)的壓力進(jìn)行變頻的,隨著系統(tǒng)壓力的降低水泵變頻頻率會(huì)自動(dòng)升高,仍可向系統(tǒng)正常補(bǔ)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(bǔ)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(yáng)程等參數(shù)(一般設(shè)計(jì)選型時(shí)非變頻泵的流量和揚(yáng)程已考慮有10 %～20 %的富余量(鍋爐房設(shè)計(jì)規(guī)范要求30～50 kPa 富余量) ) ,無需考慮因變頻調(diào)速水泵揚(yáng)程降低而提高揚(yáng)程的富余量。
3。在定壓供水系統(tǒng)中對(duì)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(jià)格相對(duì)昂貴，因此在實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，在控制上很容易確定開一臺(tái)定流量泵和一臺(tái)變頻泵來適應(yīng)新的工況點(diǎn)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(jìn)行節(jié)能的初衷，因此，這個(gè)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(dòng)、進(jìn)口導(dǎo)葉等等先進(jìn)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(duì)于定壓供水系統(tǒng)的
高效離心泵機(jī)群如果也采用“一變多定”配置的控制方案，則會(huì)引起一些問題。圖3是泵特性曲線圖，從這個(gè)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(diǎn)也就是變頻泵特性曲線和等壓線交點(diǎn)，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(diǎn)因供水壓力小的波動(dòng)(這在供水系統(tǒng)中非常正常的)而變
化劇烈，工況點(diǎn)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(yùn)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(duì)于實(shí)際工程中的高性能離心泵機(jī)群，所有泵都進(jìn)行變頻控制才是合理的，如著名的德國(guó)WI10公司的MHIE、MVIV系列變頻恒壓多泵并聯(lián)供水系統(tǒng)，多臺(tái)泵全部采用變頻控制，以避免“一變多定”運(yùn)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(tái)水泵，同時(shí)間只有一臺(tái)泵處于變頻運(yùn)行，那就不會(huì)遇到“一變多定”運(yùn)行匹配困難的問題，同時(shí)投資也很節(jié)省，這是變頻泵水系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tái)空調(diào)機(jī)，用小的變頻泵代替閥門，以空調(diào)機(jī)的送風(fēng)溫度或以空調(diào)機(jī)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(duì)于多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的空調(diào)機(jī)水路中的小變頻泵，各泵也相當(dāng)于并聯(lián)運(yùn)行。因?yàn)楦骺照{(diào)機(jī)的負(fù)荷不同，空調(diào)機(jī)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(jī)的調(diào)節(jié)相互干擾。為了避免這種情況，各空調(diào)機(jī)出水口管路上必須加裝恒壓水閥，以抹平各空調(diào)機(jī)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
