水泵變頻調速無負壓節(jié)能供水設備應用的注意事項
水泵變頻調速無負壓節(jié)能供水設備應用的注意事項
近幾年變頻調速無負壓節(jié)能供水設備在供水系統(tǒng)發(fā)展很快，但在實際應用中仍然存在著較大的盲目性，導致節(jié)能效果不盡人意。本文針對變頻調速無負壓節(jié)能供水設備在水泵節(jié)能方面談一些淺顯的看法，以供商酌。
1 變頻調速無負壓節(jié)能供水設備與水泵節(jié)能
水泵節(jié)能離不開工況點的合理調節(jié)。其調節(jié)方式不外乎以下兩種：管路特性曲線的調節(jié)，如關閥調節(jié)；水泵特性曲線的調節(jié)，如水泵調速、葉輪切削等。在節(jié)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(jié)能的主要方式。而變頻調速無負壓節(jié)能供水設備在改變水泵性能曲線和自動控制方面優(yōu)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(jié)能效果的因素很多，如果盲目選用，很可能事與愿違。
2 影響變頻調速無負壓節(jié)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(tài)設計的泵與電機的運行參數均發(fā)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(jié)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(qū)為通過工頻高，效區(qū)左右端點的兩條相似工況拋物線的中間區(qū)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(qū)萎縮為PA1A2[2]（顯然，若運行工況點已超出該區(qū)域，則不宜采用調速來節(jié)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(qū)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(qū)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(tǒng)往往是多臺水泵并聯(lián)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(tǒng)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(tǒng)較優(yōu)。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(xù)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(jié)能效果的影響
雖然改變水泵性能曲線是水泵節(jié)能的主要方式，但是在不同的管路特性曲線中，調速節(jié)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(tǒng)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(jié)，則3個系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)中采用調速節(jié)能時，H0越小，節(jié)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(tǒng)本身效率的影響，采用變頻調速可能不節(jié)能甚至反而增加能源浪費。
4 兩種調速供水方式節(jié)能效果比較
在供水系統(tǒng)中，變頻調速無負壓節(jié)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(jié)能技術的發(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(tǒng)，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(jié)，當流量由Q2→Q1時，則工況點由A1變?yōu)锳2，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(xù)調節(jié)，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(jié)約了△H1，而沒有考慮△H2。因此，它不是較經濟的供水調節(jié)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(yōu)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(tǒng)，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(tǒng)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(fā)生一些偏差，給變壓供水的實施帶來困難。
5 無負壓節(jié)能供水設備結論
①變頻調速無負壓節(jié)能供水設備是一種應用廣泛的水泵節(jié)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(tǒng)，具體采取何種節(jié)能措施，應結合實際情況區(qū)別對待
②變頻調速適用于流量不穩(wěn)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(tǒng)。
③變頻調速個適用于流量較穩(wěn)定，工況點單一以及靜揚程占總揚程比例較大的供水系統(tǒng)。
④變頻變壓供水優(yōu)于變頻恒壓供水。
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