水泵變頻調(diào)速無負(fù)壓高效節(jié)能供水設(shè)備應(yīng)用的注意事項
近幾年變頻調(diào)速無負(fù)壓高效節(jié)能供水設(shè)備在供水系統(tǒng)發(fā)展很快，但在實際應(yīng)用中仍然存在著較大的盲目性，導(dǎo)致節(jié)能效果不盡人意。本文針對變頻調(diào)速無負(fù)壓高效節(jié)能供水設(shè)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(diào)速無負(fù)壓高效節(jié)能供水設(shè)備與水泵節(jié)能
水泵節(jié)能離不開工況點的合理調(diào)節(jié)。其調(diào)節(jié)方式不外乎以下兩種：管路特性曲線的調(diào)節(jié)，如關(guān)閥調(diào)節(jié)；水泵特性曲線的調(diào)節(jié)，如水泵調(diào)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(diào)速無負(fù)壓高效節(jié)能供水設(shè)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(yīng)用廣泛。但同時應(yīng)該引起注意的是，影響變頻調(diào)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(diào)速無負(fù)壓高效節(jié)能供水設(shè)備范圍的因素
水泵調(diào)速一般是減速問題。當(dāng)采用變頻調(diào)速時，原來按工頻狀態(tài)設(shè)計的泵與電機(jī)的運行參數(shù)均發(fā)生了較大的變化，另外如管路特性曲線、與調(diào)速泵并列運行的定速泵等因素，都會對調(diào)速的范圍產(chǎn)生一定影響。超范圍調(diào)速則難以實現(xiàn)節(jié)能的目的。因此，變頻調(diào)速不可能無限制調(diào)速。一般認(rèn)為，變頻調(diào)速不宜低于額定轉(zhuǎn)速50％，處于75％～100％，并應(yīng)結(jié)合實際經(jīng)計算確定。
2.1 水泵工藝特點對調(diào)速范圍的影響
理論上，水泵調(diào)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(dāng)水泵轉(zhuǎn)速過小時，泵的效率將急劇下降，受此影響，水泵調(diào)速高效區(qū)為PA1A2[2]（顯然，若運行工況點已超出該區(qū)域，則不宜采用調(diào)速來節(jié)能了。）圖中H0B為管路特性曲線，則CB段成為調(diào)速運行的高效區(qū)間。為簡化計算，認(rèn)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點就成為最小轉(zhuǎn)速時水泵性能曲線高效區(qū)的左端點。
因此，最小轉(zhuǎn)速可這樣求得：
由于C點和A1點工況相似，根據(jù)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(shù)，解方程得：
HC=H1×H0/(H1-S·Q12)
QC=Q1×[H0/(H1-S·Q12)]1/2
根據(jù)比例律有：
nmin=n0×[H0/(H1-S·Q12)]1/2
2.2 定速泵對調(diào)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(diào)速，所以一般采用調(diào)速泵、定速泵混合供水。在這樣的系統(tǒng)中，應(yīng)注意確保調(diào)速泵與定速泵都能在高效段運行，并實現(xiàn)系統(tǒng)。此時，定速泵就對與之并列運行的調(diào)速泵的調(diào)速范圍產(chǎn)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(diào)一定并列運行時，雖然調(diào)度靈活，但由于無法兼顧調(diào)速泵與定速泵的高效工作段，因此，此種情況下調(diào)速運行的范圍是很小的。
2.2.2 不同型號水泵一調(diào)一定并列運行時，若能達(dá)到調(diào)速泵在額定轉(zhuǎn)速時高效段右端點揚(yáng)程與定速泵高效段左端點揚(yáng)程相等。則可實現(xiàn)范圍的調(diào)速運行。但此時調(diào)速泵與定速泵不允許互換后并列運行。
2.3 電機(jī)效率對調(diào)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(zhuǎn)速的下降，軸功率會急劇下降，但若電機(jī)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(jī)效率下降過快，最終都影響到整個水泵機(jī)組的效率。而且自冷電機(jī)連續(xù)低速運轉(zhuǎn)時，也會因風(fēng)量不足影響散熱，威脅電機(jī)安全運行。
3 管路特性曲線對調(diào)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(diào)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(shè)計工況相同的3個供水系統(tǒng)里（即設(shè)計工況點均為A點，均需把流量調(diào)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）
?、贖=H2+S2·Q2（H0=H2，H1＞H2）
?、跦=S3·Q2（H0=H3=0）
很顯然，若采用關(guān)閥調(diào)節(jié)，則3個系統(tǒng)滿足流量QB的工況點均為B點，對應(yīng)的軸功率為NB；若采用調(diào)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(yīng)的運行轉(zhuǎn)速分別為n1，n2，n3，相應(yīng)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(diào)速節(jié)能時，H0越小，節(jié)能效果越好。反之，當(dāng)H0大到一定程度時，受電機(jī)效率下降和調(diào)速系統(tǒng)本身效率的影響，采用變頻調(diào)速可能不節(jié)能甚至反而增加能源浪費。
4 兩種調(diào)速供水方式節(jié)能效果比較
在供水系統(tǒng)中，變頻調(diào)速無負(fù)壓高效節(jié)能供水設(shè)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(yīng)用得更廣泛，而后者技術(shù)上更為合理，雖然實施難度更大，但代表著水泵變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)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(yáng)程低，流量小時揚(yáng)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(yáng)程保持不變，即等于設(shè)計揚(yáng)程。若采用關(guān)閥調(diào)節(jié)，當(dāng)流量由Q2→Q1時，則工況點由A1變?yōu)锳2，浪費揚(yáng)程△H=H1-H3=△H1+△H2。若采用變頻恒壓供水，則自動將轉(zhuǎn)速調(diào)至n1，工況點處于B1點（參見圖3）。由于變頻調(diào)速是無級變速，可以實現(xiàn)流量的連續(xù)調(diào)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(shè)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，它不是的供水調(diào)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(shè)置不同。它使水泵揚(yáng)程不確定，而是沿管路特性曲線移動（參見圖3）。當(dāng)流量由Q2→Q1時，自動將轉(zhuǎn)速調(diào)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(yáng)程的浪費，顯然優(yōu)于恒壓供水。
但變壓供水本質(zhì)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(yáng)程
流量計將測得的水泵流量Q反饋給控制器，控制器根據(jù)H=H0+S·Q2確定水泵揚(yáng)程H，通過調(diào)速使H沿設(shè)計管路特性曲線移動。
但在生產(chǎn)實踐中情況比較復(fù)雜。對于單條管路輸水系統(tǒng)，是可以得到與之對應(yīng)的一條管路特性曲線的。而在市政供水管網(wǎng)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(jù)管網(wǎng)實際運行情況，通過盡時能接近實際的假設(shè)，計算出近似的管路特性曲線。
4.2.2 由最不利點壓力Hm確定水泵揚(yáng)程
即需在管網(wǎng)最不利點設(shè)置壓力遠(yuǎn)傳設(shè)備，并向控制室傳回信號，控制器據(jù)此使水泵按滿足最不利點壓力所需要的揚(yáng)程運行、由于管網(wǎng)最不利點往往距離泵站較遠(yuǎn)，遠(yuǎn)傳信號顯得不太方便，而且，在市政供水系統(tǒng)中，由于管網(wǎng)的調(diào)整，用水狀況的變化等隨機(jī)因素的影響，都會使實際最不利點和設(shè)計最不利點發(fā)生一些偏差，給變壓供水的實施帶來困難。
5 無負(fù)壓高效節(jié)能供水設(shè)備結(jié)論
?、僮冾l調(diào)速無負(fù)壓高效節(jié)能供水設(shè)備是一種應(yīng)用廣泛的水泵節(jié)能技術(shù)，但卻具有較為嚴(yán)格的適用條件，不可能簡單地應(yīng)用于任何供水系統(tǒng)，具體采取何種節(jié)能措施，應(yīng)結(jié)合實際情況區(qū)別對待
?、谧冾l調(diào)速適用于流量不穩(wěn)定，變化頻繁且幅度較大，經(jīng)常流量明顯偏小以及管路損失占總揚(yáng)程比例較大的供水系統(tǒng)。
?、圩冾l調(diào)速個適用于流量較穩(wěn)定，工況點單一以及靜揚(yáng)程占總揚(yáng)程比例較大的供水系統(tǒng)。
?、茏冾l變壓供水優(yōu)于變頻恒壓供水。
