变频调速恒压供水系统能耗机理浅析

科技信息1.概述随着我国城镇化建设的飞速发展，城市人口和城市居民的不断增加，城市供水不足成为一种普遍现象，传统的供水方式已经不能满足大部分城乡地区的发展和人民生活的需要。

自八十年代以来，变频调速恒压供水技术开始应用于我国许多城市的自来水公司。

变频调速恒压供水技术不仅能够保证城市供水的稳定，而且可以节约能源。

据统计若采用变频调速技术来改变流量，可节约20~50%，其节能效果相当可观。

采用变频调速恒压供水系统和传统恒速泵供水系统、水塔高位水箱供水系统、才元压罐供水系统相比，具有水压稳定、维护方便、占地面积小、节约能源和减少对水泵机组设备的冲击等优点。

在讨论变频调速恒压供水的节能机理之前，有必要讨论分析水泵及水泵工况调节等相关理论。

2.水泵理论及水泵工况点确定的研究水泵广泛应用于国民经济的各个行业中，但在供水行业中普遍采用的是离心式叶片泵，也称离心泵。

离心泵属于高扬程叶片泵，是利用叶轮旋转时产生离心力的原理工作的。

离心泵在起动前必须使泵和进水管中充满液体，当叶轮在泵壳内高速旋转时，液体质点在离心力作用下被甩向叶轮外缘，并汇集到泵壳内，使液体获得动能和压能，并沿着出水管输送出去。

2.1水泵的工作参数水泵工作参数共有六个，即:流量、扬程、功率、效率、转速及允许吸上真空高度或气穴余量。

在六个参数中，流量、扬程和转速是基本参数，只要其中一个发生变化，其余参数都会按照一定的规律发生相应的变化。

2.2水泵工作点的确定水泵工作点(工况点)是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。

如果把某一水泵的性能曲线(即H-Q曲线)和管路性能曲线画在同一坐标系中(图1)，则这两条曲线的交点A，就是水泵的工作点。

工作点A是水泵运行的理想工作点，实际运行时水泵的工作点并非总是固定在A点。

若把水泵的效率曲线Q也画在同一坐标系中，在图1中可以找出A点的扬程HA 、流量QA以及效率ηA。

图1水泵工作点的确定从图1中可以看出，水泵在工作点A点提供的扬程和管路所需的水头相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，从而达到能量和流量的平衡，这个平衡点是有条件的，平衡也是相对的。

一旦当水泵或管路性能中的一个或同时发生变化时，平衡就被打破，并且在新的条件下出现新的平衡。

另外确定工作点一定要保证水泵装置在高效率范围内运行。

工作点的参数，反映水泵装置的工作能力，是泵站设计和运行管理中一个重要的问题。

2.3水泵工况的调节在选择和使用水泵的实践中，常常会出现确定的工作点偏离水泵设计工作点较远，以至引起水泵装置效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象，这就必须采用改变管路性能曲线或改变水泵性能曲线的方法来移动工作点，使其符合要求。

这种方法叫做水泵工况的调节。

现将常用的几种调节方法分述如下。

（1）车削调节沿外径车小离心泵的叶轮，可以改变水泵的性能曲线，从而扩大水泵的使用范围，这种方法称为车削调节。

（2）变角调节通过改变叶片安装角，使水泵性能曲线改变的方法称为水泵工况的变角调节，它适用于叶片安放角可以改变的轴流泵及混流泵，并不适合离心泵。

（3）节流调节对于出水管路中装有闸阀的水泵装置来说，当把闸阀关小时，由于在管路中增加了一个局部阻力，则管路性能曲线变陡，于是，其工作点就沿着水泵的Q曲线朝着流量减小的方向移动。

闸阀关得越小，附加阻力越大，流量就变得越小。

这种通过关小闸阀来改变水泵工作点位置的方法，称为节流调节。

（4）变速调节变速调节是通过改变水泵的转速，可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况以扩大水泵使用范围的目的。

变速调节就是对水泵相似理论的应用。

H1H2=(Q1Q2)2即H1Q21=Q1Q22=k H=KQ2该式所表示的曲线称为相似工况曲线。

3.变频调速恒压供水能耗机理分析3.1水泵工况的调节过程交流电动机的转速n与电源频率f具有的关系如下:n=60fp(1-s)式中：p——极对数;s——转差率因此不改变电动机的极对数，只改变电源的频率，电动机的转速就按比例变动。

在变频调速恒压供水系统中，通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n。

改变水泵的转速，可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况的目的。

当管网负载减小时，通过VVVF降低交流电的频率，电动机的转速从n1，降低到n2。

另外根据叶片泵工作原理和相似理论，改变转速n，可使供水泵流量Q c、扬程H c和轴功率N以相应规律改变。

Q2Q1=n2n1N2N1=(n2n1)3H2H1=(n2n1)2从上述比例律公式中消去n2n1就得到式H1H2=(Q1Q2)2及H1Q21=Q1Q22=k H=KQ2式H=kQ2是顶点在坐标原点的二次抛物线族的方程，在这种抛物线上的各点具有相似的工作状况，所以称为相似工况抛物线。

图2变频调速恒压供水水泵工况调节图在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n，从而改变水泵性能曲线得以实现的。

其工况调节过程可由图2来说明。

由图2可见，设定管网压力值(扬程)为H，管网初始用水量为QA，初始工况点为A，水泵电机的转速为n1，工作点A的轴功率即为AHOQA四点所围的面积。

当管网负载减小时，管网压力升高，压力传感器将检测到的升高压力转换成4-20mA电流信号送往PID调节器，经比较处理后，输出一个令变频器频率降低的信号，从而降低电机转速至n2，水泵转速的下降是沿着水泵的相似工况抛物线下降的，也就是从点A移至B点，在此过程中水泵输出的流量和压力都会相应减小。

恒压供水系统中压力值恒定在H，因此水泵工作点又沿着转速n2所对应的水泵性能曲线从点B移至C点，在此阶段水泵输出压力升高，流量减少，水泵运行在新的工作点C点，在图3中可以找出C点的扬程H c、流量Q c以及效率ηc，工作点C的轴功率即为CH o OQ c变频调速恒压供水系统能耗机理浅析彭皓东1张猛2闫国升3（1.辽宁建设安装集团有限公司 2.辽宁省工业安装工程公司 3.宽甸县石湖沟建筑工程公司）（下转第416页）——415科技信息四点所围的面积。

考察水泵的效率曲线η~Q ，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。

图3水泵工况点节流调节和变速调节能耗比较图3.2水泵工况调节与传统节流调节能耗之比较若把水泵工况点的节流调节和变速调节画在同一个坐标系中，可用图3表示，考察比较二者的能量损耗。

当管网负载减小，管网压力升高，管网所需流量减少，即从Q A 降至Q c 时，对恒速泵的节流调节来说，水泵工况点沿着水泵性能曲线n 1，自A 点降至D 点，水泵在工作点D 的轴功率即为DH 1OQ C 四点所围的面积，而此时管网中所需的能量仅为FH 2OQ C 四点所围的面积，因此水泵提供的多余的轴功率为DH 1H 2F 四点所围的面积，这部分能量损耗用于克服闸阀的附加阻力。

对变频调速恒压供水来说，水泵工况点先沿着水泵相似工况曲线自A 点降至B点，再沿着水泵性能曲线n 2自B 点上升至C 点，水泵在工作点C 的轴功率即为CH O OQ C 四点所围的面积，而此时管网中所需的能量仅为FH 2OQ C 四点所围的面积，因此水泵提供的多余的轴功率为CH 0H 2F 。

二者进行比较，不难看出在相同的管网流量需求Q c 下，变频调速恒压供水中水泵消耗的能源少于恒速泵节流调速所消耗的能源，节约的能耗为DH 1H 0C 四点所围的面积减去CH 0H 2F 四点所围的面积，即为DH 1H 0F 四点所围的面积。

由以上分析可知，利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时，功率以转速的三次方下降，与恒速泵供水方式中用闸阀增加阻力的节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。

3.3调速范围的确定考察水泵的效率曲线η~Q ，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。

水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围，再根据用户的扬程确定具体最低调速范围，在实际配泵时扬程设定在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在40Hz 以上，也就是说转速下降在20%以内，在此范围内，电动机的负载率在50%-100%范围内变化，电动机的效率基本上都在高效区。

4.总结水泵的工作点就是同一坐标系中水泵的性能曲线和管路性能曲线的交点，由于水泵工作点是水泵运行的理想工作点，实际运行时水泵的工作点并非总是固定不变的。

本文从水泵理论和管网特性曲线分析入手，讨论水泵工作点、工况点的确定方法。

接着介绍了水泵工况调节的几种常用方法。

在变频调速恒压供水系统中，水泵工况的调节是通过改变水泵性能曲线得以实现的。

本文的重点主要是对变频调速恒压供水系统中水泵能耗机理进行深入研究。

（上接第415页）工作面概况：该工作面位于枣矿集团田陈煤矿北七采区西翼，煤层赋存较稳定，煤厚5.0～9.0/7.0m ，煤层大部分含一层泥岩夹矸，由于成煤时期受地壳不均衡沉降影响，运输巷500m 范围内煤层出现分叉现象，呈马尾状煤层。

受右侧较大断层影响，煤层局部破碎、节理裂隙较发育。

工作面布置受落差15m 的F7-15（H=0-15）断层影响，工作面无法强行通过，为优化生产布局，将原工作面机头1-30号架缩掉，重新在机头安装ZFG7600-23/42型过渡支架3架；安装ZT10000-25/40型巷道支架1架；铺设前后部溜槽大叉、二节及3节变线；铺设转载机机尾，形成新的运输系统。

系统改造准备工作：设计沿F7-15断层补掘一条运输巷道，铺设一部皮带和一部转载机，在补运巷道端头刷8m 深8m 宽3.2m 高的藏架硐室，藏架硐室摆3架端头过渡支架、一架巷道支架，按照前后顺序将预挺前后部溜槽的大叉、二节及3节变线和转载机机尾放置于藏架硐室内。

工作面普通支架替换成端头过渡支架和巷道支架，将普通溜槽替换成溜槽机头部。

藏架硐室如图1所示：图1改造工艺：当工作面推至离藏架硐室约14m 时，需撤除的支架开始上金属网（三层），在改造期间需抽出的支架上方顺工作面方向将4m 长的工字钢和旧钢丝绳固定在金属网上，确保支架抽出后顶板不下沉。

煤机扩完帮后，清理卫生。

将前后部溜槽链条吐到机头处，调节好工作面前后溜链条，以便于缩面后在新机头位置好穿链、接链、合茬。

将预抽出支架前方溜槽及新机头摆大叉、二节和3节变线处的普通溜槽拽至工作面机头，留够空间便于撤除支架。

前溜空间全部让出后，陆续抽出工作面支架，后退相对应藏架硐室的支架，把撤出支架尾梁处的工字钢用单体打好。

三架过渡支架摆好后，再多抽出两架，让出空间后开始进后部溜子机头段，进后溜3节变线、穿底链，安后溜底盘、进二节、大叉，挎电机、减速箱，紧固螺栓，合茬。