影响水泵变频调速节能效果的主要因素探讨

2003年10月第20卷 第5期有色冶金节能
Energy Saving of N on-ferrous M etallurg y Oct.,2003Vo l.20 N o.5
影响水泵变频调速节能效果的主要因素探讨
吴自凯
(中国铝业山西分公司设计院,山西河津043300)
[摘 要] 变频调速是实现水泵节能的重要手段之一。

但在应用中如果对其影响因素缺乏综合考虑,不通过精确的计算,不认真分析工艺条件而盲目采用变频调速,往往是投入不少,却难以获得预期的效益,也给变频调速的推广应用带来了负面的影响。

本文针对影响其调速范围和节能效果的一些因素,主要是调速泵自身效率、配套电机效率、并列运行的其它水泵的协同效率、不同管路特性曲线对其影响以及2种变频供水方式的对比,通过分析,明确了变频调速应用的一些特点和注意事项。

[关键词] 水泵;变频调速;节能效果
[中图分类号]T F821 [文献标识码]B [文章编号]1008-5122(2003)05-0021-03
Main factors exploration of influence water pump with speed
governor by freguency modulator on energy saving effects
WU Z-i kai
(China A luminium I ndustry Co.,Shanx i Br anch ,Designing I nstitute,H ej in 043300,China)Abstract:Speed governor by frequency modulator w as the w ater pump for energy saving in the one of important means.But the influence factor w as short of com prehensive consider in use,w hen no accu -rate calculation and no analysing the technology applied speed governor by frequency modulator,the desired results w as not achieved.This paper w as directed against the influence some factors to ex plain.T he factors w ere the pump self efficincy ,motor efficincy,the other w ater pump efficincy,the charac -teristic curve of the pipe and two frequency modulator.
Key words:w ater pump;speed govenor by frequency modulator;energ y sav ing effects
[收稿日期]2003-03-26
[作者简介]吴自凯(1969-),男,汉族,山西万荣人,工程师。

1991年毕业于太原工业大学环境与市政工程系,现在中铝山西分公司设计院工作。

1 变频调速是实现水泵节能的主要手段之一
实现水泵节能的最重要手段是尽可能使水泵的运行始终处于高效区。

但在生产实际中,由于水量、压力始终处于动态的变化之中,水泵不可能维持单一的工况点去运行。

因此,水泵的运行很难始终处于高效区。

如果过度偏离高效区,必然因水泵效率的下降带来电能的浪费,水泵节能的措施主要是针对此点而实施的。

水泵节能离不开工况点的合理调节。

在各种调节方式中,水泵特性曲线调节的节能效果更为显著[1]。

而变频调速能连续地改变水泵性能曲线,在
理想的情况下,可以实现水泵工况点沿管路特性曲线变化,并且在一定的范围内,有一个流量就必然有一个转速与其对应,且控制十分便利。

2 影响水泵变频调速节能效果的主要因素
变频调速在水泵节能方面的优势是十分明显的,但不能简单的认为:凡是有水量和压力变化的地方都可以采用变频调速。

由于影响变频调速节能效果的因素很多,盲目选用很难实现节能目的。

一般的来说,影响水泵变频调速节能效果的主要因素如下。

211 调速范围对调速机组效率的影响
一般认为,变频调速不宜低于额定转速的50%,最好处于75%~100%,并应结合实际经计算确定。

21111 调速范围过大影响水泵自身效率
从理论上讲,水泵的最佳运行状况是水泵运行
工况点沿管路特性曲线变化,同时这些工况点亦须处于水泵自身高效区。

在这种情况下,水泵效率高且管路压力合适,供水系统则可以实现最大限度的节能。

而变频调速的特点,使水泵的运行工况点在理论上几乎完全可以沿管路特性曲线变化,但变频调速却无法保证这些工况点始终处于水泵调速高效区。

水泵调速范围见图1
所示。

图1 水泵调速范围示意图
C:工频高效区左端点 D:工频高效区右端点H=K 1Q 2、H =K 2Q 2:通过C 、D 的相似工况抛物线H=H a +SQ 2:管路特性曲线
图中,水泵调速高效区为通过工频高效区左右端点的两条相似工况抛物线OC 和OD 的中间区域OCD 。

当水泵在AB 段运行时,其工况点既在管路特性曲线上,又位于水泵调速高效区,可以达到节能目的;而当水泵在H 0A 段运行时,由于此时调速泵已处于低效率区域,已无法实现节能目的。

通过A 点的转速就是此时水泵调速的最小转速n min ,经计算:
n min =n 0@
H 0
H 1-SQ 21
21112 调速范围过大影响电机效率
在工况相似的情况下,一般有N W n 3,因此随着转速的下降,轴功率会急剧下降。

但若电机输出功率过度偏移额定功率,或者工作频率过度偏移工频,都会使电机效率下降过快。

上海电机厂曾对其JSQ 和JRQ 系列电机在不同负荷率时的效率进行了实测,见表1所示[2]。

从表1可以看出,当电机的负荷率为1/2时,电机的效率要降低2~3个百分点。

同时,频率过低,也会影响电机效率。

电机效率的过低,导致整个水泵机组的效率不可能理想,也就不能实现节能目的。

而且自冷电机连续低速运转时,也会因风量不足影
响散热,威胁电机安全运行。

表1 JSQ 和JRQ 系列电动机不同
负荷率的效率实测值(%)
电机
负荷率
4/43/42/41/4JSQ 系列
94
9315928793921591158615929115901585JRQ 系列
91
9088801590891587158089
8815
86
7715
212 调速对与之并列运行的定速泵效率的影响
供水系统往往是多台水泵并联供水,一般采用调速泵、定速泵联合供水。

但应注意确保调速泵与定速泵都能在高效段运行,并实现系统最优。

由于并列运行的定速泵的协同影响,调速泵的调速范围
受到了很大的限制,见图2所示。

图2 水泵一调一定并列运行工况示意图
11工频泵特性曲线 21工况点在B 点时变频泵特性曲线31两泵均为工频时合成特性曲线 411、2合成特性曲线51管路特性曲线
随着调速的进行,工频泵的工况点最好位于水泵高效区的最左端,调速范围最大;变频泵的工况点
最好位于水泵高效区的最右端,调速范围最大。

同型号水泵一调一定,其要求则完全相反,很难同时满足。

工频泵流量调节范围最大,为高效流量段的1/2;而对于变频泵来说,其高效流量段和工频时相比就已经有所缩小,而且其流量的减少,首先要抵消工频泵流量增加的那一部分,其调节范围就更为有限了。

如果是/同型号水泵一调二定、多定0时,和以上分析的情况相比,调节范围还要缩小。

最经常应用的/同型号水泵一调多定0的变频调速供水模式,其实可以调节的范围是非常狭小的。

建议最好采用/调速泵的工频高效区扬程略高于定速泵0的调速供水模式。

而对低扬程水泵进行调速
22有色冶金节能 2003年
的联合供水方式则坚决不能接受。

213 不同调速供水方式对节能效果的影响
在供水系统中,变频调速一般采用以下两种供水方式:变频恒压变流量供水和变频变压变流量供水。

所谓恒压供水方式,就是针对离心泵/流量大时扬程低,流量小时扬程高0的特性,通过自控变频系统,无论流量如何变化,都使水泵运行扬程保持不变,即等于设计扬程。

恒压供水就是使水泵工况点始终处于一条水平直线上,即H =H 1。

而变压供水则使水泵扬程不确定,其工况点沿管路特性曲线移动,即H=H 0+SQ 2,见图3所示。

变压供水和恒压供水相比,节约水泵扬程H 1-H 0-SQ 2,显然,恒压供水节约了/离心泵流量小时扬程高0所造成的能量浪费,而没有考虑/供水管路流量小时水头损失小0所造成的能量浪费。

因此,它不是最经济的供水节能方式,尤其在管路阻力大,管路特性曲线陡曲的情况下,管路水头损失所占的比重更大,其局限性就显
而易见了。

图3 变压供水与恒压供水工况点示意图
214 不同管路特性曲线对调速节能效果的影响
在不同的管路特性曲线中,调速节能效果的差别却是十分明显的。

见图4所示。

在设计工况相同的3个供水系统里,水泵型号相同,但管路特性曲线却不相同,分别为:
(1)H=H 2+S 1Q 2 (H 0=H 1)(2)H=H 2+S 2Q 2
(H 0=H 2,H 1>H 2)(3)H=S 3Q 2
(H 0=H 3=0)
若采用关阀调节,则3个系统满足流量Q B 的工况点均为B 点,对应的轴功率为N B ;若采用调速
运行,则3个系统满足流量Q B 的工况点分别为C 、D 、E 点,其对应的运行转速分别为n 1、n 2、n 3,相应的轴功率分别为N C 、N D 、N E 。

由于N W QH ,所以各点轴功率满足N B >N C >N D >N E 。

可见,在管路特性曲线为H=H 0+SQ 2
的系统中采用调速节能时,H 0越小,节能效果越好。

反之,当H 0大到一定程度时,受电机效率下降和调速系统本身效率的影响,采用变频调速可能不节能甚至
反而增加能源浪费。

图4 管路特性曲线影响调速节能示意图
3 结论
(1)变频调速调节范围不能过大,避免调(定)速泵和配套电机进入低效区。

一般在75%~100%之间,并应进行工艺计算。

(2)在/调速+定速0联合供水时,最好采用/调速泵的工频高效区扬程略高于定速泵0的变频调速供水模式。

(3)变频变压供水优于变频恒压供水。

(4)变频调速适用于流量不稳定,变化频繁且幅度较大,经常流量明显偏小以及管路损失占总扬程比例较大的供水系统。

(5)变频调速不适用于流量较稳定,工况点单一以及静扬程占总扬程比例较大的供水系统。

[参考文献]
[1] 王锡仲.变频优化调压节能供水装置的研制[J].给水
排水,1998,(10):66.
[2] 汪光焘,城市供水行业2000年技术进步发展规划,
453.
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第5期 吴自凯:影响水泵变频调速节能效果的主要因素探讨。