第二讲水泵变频调速节能技术.docx

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第二讲水泵变频调速节能技术

变频节能技术讲座：

第二讲水泵变频调速节能技术

目录

第一节概论

1.1水泵的主要功能和用途

1.2水泵的性能参数

1.3水泵的性能曲线

1.4水泵拖动系统的主要特点

1.5水泵变频调速节能改造能效审计数据调查表

第二节水泵并列运行分析

2.1.水泵并联运行的一般情况

2.2如何作出并联水泵的性能曲线（H-Q）或（P-Q）

2.3当并联泵中的一台进行变速调节时，如何确定并联运行工况点？

2.4静扬程（或静压）对调速范围的影响。

2.5.变频泵与工频泵的并联运行分析

2.6.高性能离心泵群的变频控制方案

第三节水泵变频调速节能效果的计算方法

3.1相似抛物线的求法

3.2.调速范围的确定

3.3.节能效果的计算

第四节水泵变频调速和液力偶合器调速节能比较

4.1.液力耦合器的工作原理和主要特性参数

4.2.液力耦合器在风机水泵调速中的节能效果

4.3.风机水泵变频调速和液力耦合器调速对比计算

4.4.液力耦合器调速和变频调速的主要优缺点比较

4.5.结论

第一节概论

风机与水泵是用于输送流体（气体和液体）的机械设备。

风机与水泵的作用是把原动机的机械能或其它能源的能量传递给流体，以实现流体的输送。

即流体获得机械能后，除用于克服输送过程中的通流阻力外，还可以实现从低压区输送到高压区，或从低位区输送到高位区。

通常用来输送气体的机械设备称为风机（压缩机），而输送液体的机械设备则称为泵。

1.1水泵的分类

水泵通常按工作原理及结构形式的不同进行分类，可以分为叶片式（又称叶轮式或透平式）、容积式（又称定排量式）和其他类型三大类。

叶片式泵又可以分为离心泵、轴流泵、混流泵和漩涡泵；容积式泵又可以分为往复泵和回转泵，往复泵可分为活塞泵、柱塞泵和隔膜泵，而回转泵又可分为齿轮泵、螺杆泵、滑片泵和液环泵。

1.2水泵的性能参数

水泵的基本性能参数表示水泵的基本性能，水泵的基本性能参数有流量、扬程、轴功率、效率、转速、比转速、必须汽蚀余量或允许吸上真空高度等7个。

（1）流量以字母Q（qv、qm）表示，单位为（升）l/s、m3/s、m3/h等。

泵的流量是指单位时间内从泵出口排出并进入管路系统的液体体积。

泵的流量除用上述体积流量qv外，还可用质量流量qm表示。

qm定义为单位时间内从泵出口排出并进入管路的液体质量。

显然qv与qm间的关系为：

（2）扬程水泵的扬程H表示液体经泵后所获得的机械能。

泵的扬程H是指单位重量液体经过泵后所获得的机械能。

水泵扬程的计算式为：

式中：

Z2、p2、v2与Z1、p1、v1分别为泵的出口截面2和进口截面1的位置高度、压力和速度值。

泵的扬程即为泵所产生的总水头，其值等于泵的出口总水头和进口总水头的代数差。

（3）轴功率由原动机或传动装置传到水泵轴上的功率，称为风机的轴功率，用P表示，单位为kW。

式中：

Q---水泵流量（m3/s）；

H---水泵扬程（m,）；

－传动装置效率；

－风机效率；

－电动机效率。

电动机容量选择：

式中：

“102”----由kg.m/s变换为kW的单位变换系数。

因为水的密度为1000kg/m3,所以水泵轴功率的计算公式可以简化为：

电动机容量选择：

（若流量的单位用“m3/s”）

（4）效率水泵的输出功率（有效功率）Pu与输入功率（轴功率）P之比，称为水泵的效率或全效率，以η表示：

（5）转速水泵的转速指水泵轴旋转的速度，即单位时间内水泵轴的转数，以n表示，单位为rpm（r/min）或s-1（弧度/秒）。

（6）比转速水泵的比转速以ny表示，用下式定义：

作为性能参数的比转速是按泵最高效率点对应的基本性能参数计算得出的。

对于几何相似的泵，不论其尺寸大小、转速高低，其比转速均是一定的。

因此，比转速也是泵分类的一种准则。

（7）泵的必须气蚀余量或泵的允许吸上真空高度

泵的必须气蚀余量是指：

为了防止泵内气蚀，泵运行时在泵进口附近的管路截面上单位重量液体所必须具有的超过汽化压头的富裕压头值，该值通常有泵制造厂规定。

泵的必须气蚀余量用（NPSH）r表示,单位为米（m）。

泵的允许吸上真空高度是指：

为了防止泵内气蚀，泵运行时在泵进口附近的管路截面上所容许达到的最大真空高度值，该值也通常由泵制造厂规定，在不同的大气压力下及不同的液体温度时需要进行换算。

泵的允许吸上真空高度用【Hs】表示，单位为米（m）。

1.3水泵的性能曲线

图5所示是典型的锅炉给水泵性能曲线（H-Q）、以及效率和轴功率曲线。

它是一条较为平坦的曲线，与风机的一族梳状曲线不同，其出口压力（扬程）随着流量的增加而单调下降，零流量时的扬程称为关死点扬程。

水泵的静扬程（Hst）一般都不为零，图6所示为静扬程占到关死点扬程60％时的某给水泵的调速性能曲线和阻力曲线，图7所示为水泵系统在不同静扬程下的轴功率流量性能曲线。

图5典型的锅炉给水泵性能曲线

图6　某给水泵的调速性能曲线和阻力曲线

风机的性能曲线呈梳状，一般通过入口风门调节风量和风压，随着风门（叶片）开大，风机的出口风量和风压都沿阻力曲线增大，其等效率曲线是一组闭合的椭元。

这一点是与水泵的性能曲线不同的：

对于水泵，一般通过出口阀门调节流量和压力，当出口阀门开大时，流量增大，而压力却减小；当阀门关小时，流量减小，压力则增大，见图5、图6所示。

对于水泵，阀门开度的变化改变的是阻力曲线（陡度）；而对于风机，风门开度（叶片角度）的变化改变的是风机的P-Q特性曲线，而与阻力曲线无关。

风机水泵所消耗的轴功率，则都与压力和流量的乘积成正比，但风机的轴功率随着风门开大而增大，而水泵则当其流量增大到一定程度后，其轴功率随着流量的增大增加不多甚至反而减小。

1.4水泵拖动系统的主要特点

叶片式风机水泵的负载特性属于平方转矩型，即其轴上需要提供的转矩与转速的二次方成正比。

风机水泵在满足三个相似条件：

几何相似、运动相似和动力相似的情况下遵循相似定律；对于同一台风机（或水泵），当输送的流体密度ρ不变仅转速改变时，其性能参数的变化遵循比例定律：

流量与转速的一次方成正比；扬程（压力）与转速的二次方成正比；轴功率则与转速的三次方成正比。

即：

;;

风机与水泵转速变化时，其本身性能曲线的变化可由比例定律作出，如图8所示。

因管路阻力曲线不随转速变化而变化，故当转速由n变至n/时，运行工况点将由M点变至M/点。

（a）（b）

图7转速变化时风机（水泵）装置运行工况点的变化

（a）风机（当管路静压Pst=0时）（b）水泵（当管路静扬程Hst≠0时）

应该注意的是：

风机水泵比例定律三大关系式的使用是有条件的，在实际使用中，风机水泵由于受系统参数和运行工况的限制，并不能简单地套用比例定律来计算调速范围和估算节能效果。

当管路阻力曲线的静扬程（或静压）等于零时，即HST=0（或PST=0）时，管路阻力曲线是一条通过坐标原点的二次抛物线，它与过M点的变转速时的相拟抛物线重合，因此，M与M＇又都是相似工况点，故可用比例定律直接由M点的参数求出M＇点的参数。

对于风机，其管路静压一般为零，故可用相似定律直接求出变速后的参数。

而对于水泵，其管路阻力曲线的静扬程（或静压）不等于零时，即Hst≠0（或Pst≠0）时，转速变化前后运行工况点M与M＇不是相似工况点，故其流量、扬程（或全压）与转速的关系不符合比例定律，不能直接用比例定律求得。

而应将实际工况转化为相似工况后，才能用比例定律进行计算。

特别是对于水泵，其静扬程一般都很大，所以变速前后的流量比不等于转速比，而是流量比恒大于转速比。

管路性能曲线的静扬程越高，水泵性能曲线和管路性能曲线的夹角就越小，则变速调节流量时，改变相同流量时的转速变化就越小，其轴功率的减小值也越小，还有可能引起管路的水击，因此水泵的调速节能效果要比风机差一些。

1.5水泵变频调速节能改造能效审计数据调查表

单位名称

负载类型

联系人

联系电话

地址

邮政编码

邮箱

设备基本参数

电动机参数

水泵参数

电动机型号/

水泵型号

额定功率（kW）

水泵类型

额定电压（kV）

额定流量（m3/s）

额定电流（A）

额定扬程（m）

额定转速（r/min）

额定转速（r/min）

额定效率

额定效率

额定功率因数

额定轴功率（kW）

转子开路电压

关死点扬程（m）

转子短路电流

系统静扬程（m）

电机动类别：

□同步式□鼠笼式□绕线式

起动方式：

□直接起动□转子串水电阻起动□定子串水电阻起动□其它

设备运行参数

电动机参数

水泵参数

运行电压（kV）

阀门开度（参考）

运行电流（A）

出口流量（m3/s）

有功功率（kW.h）

出口压力（MPa）

无功功率（kVar）

回流流量（m3/s）

实际转速（rpm）

水泵转速（rpm）

工艺流程参数

工艺数据

锅炉负荷（t/h）

投料量（t/h）

发电量（MW）

日产量（t/h）

实际工况、工艺流程描述

电动机的其它有关描述

对变频系统的要求及欲实现的功能与效果

注：

1、如果工艺上没有此项，可以不填；

2、工艺数据是指此工况下能满足工艺要求的最小数值；

3、实际工况、工艺流程描述尽量详细清楚；

4、电动机的其它有关描述一般是指何种类型的电机、起动方式，有无液力耦合器等。

第二节水泵的并联运行分析

2.1.水泵并联运行的一般情况

水泵并联运行的主要目的是增大所输送的流量。

但流量增加的幅度大小与管路性能曲线的特性及并联台数有关。

图8所示为两台及三台性能相同的20Sh-13型离心泵并联时，在不同陡度管路性能曲线下流量增加幅度的情况，从图5可见，当管路性能曲线方程为Hc=20+10Q2时（Q的单位为m3/s），从图中查得：

一台泵单独运行时：

Q1=730L/s（100%）

两台泵关联运行时：

Q2=1160L/s（159%）

三台泵并联运行时：

Q3=1360L/s（186%）

但当管路性能曲线方程为Hc=20+100Q2时（Q的单位为m3/s），从图9可查出：

一台泵单独运行时：

Q1=450L/s（100%）

二台泵并联运行时：

Q2=520L/s（116%）

三台泵并联运行时：

Q3=540L/s（120%）

图8不同陡度管路性能曲线对泵并联效果的影响

比较两组数据可以看出：

管路性能曲线越陡，并联的台数越多，流量增加的幅度就越小。

因此，并联运行方式适用于管路性能曲线不十分陡的场合，且并联的台数不宜过多。

若实际并联管路性能曲线很陡时，则应采取措施，如增大管径、减少局部阻力等，使管路性能曲线变得平坦些，以获得好的并联效果。

一般的供水系统都采用多台泵并联运行的方式，并且采用大小泵搭配使用，目的是为了灵活的根据流量决定开泵的台数，降低供水的能耗。

供水高峰时，几台大泵同时运行，以保证供水流量；当供水负荷减小时，采用大小泵搭配使用，合理控制流量，晚上或用水低谷时，开一台小泵维持供水压力。

多台并联运行的水泵，一般采用关死点扬程（或最大扬程）相同，而流量不同的水泵。

这些泵并联运行时，每台泵的出口压力即为母管压力，且一定大于每一台泵单泵运时的出口压力（或扬程）：

（管道系统不变）

HN=HA2=HB2=HC2……＞HA1、HB1、HC1……

并联运行泵的总出口流量为每台泵出口流量之