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變頻水泵的選型原理及計（jì）算
時間：2012/2/26 來源：浙江香蕉视频网站江泵業有（yǒu）限公司
現代哲學認為，世界上任何事物都是以係統的方式運作的。據作者觀察（chá）分析，世界（jiè）的一切事物發（fā）生展開（kāi）過程其（qí）實都是目標跟蹤過程，而其實現（xiàn）的模式就是自動控製學科中單回路負反饋控製過程。變頻水泵也不例外，它是水路（lù）係（xì）統中的（de）一（yī）個子係統，一個環節，它（tā）的任務（wù）是為係統的大目標（biāo）服務的（de）並和（hé）係統中的其他子係統協調工作，共同完成係統的總目標、任務。水係統的主要任務、目（mù）標（biāo）是在（zài）保證水係統不利環路的資用壓力的前提下，大限度地（dì）節省能量。如果滿足不了這（zhè）個要求，水係統不利環路的資用壓力達不到設計要求，那不（bú）利環路中的空調設備將不能正工作，水係統的設計就是失（shī）敗的。為了達到水（shuǐ）係統這個目標、任務，無論是自來水供水係統還是空調水係統（tǒng）都確定為定壓供水模式，其目標是非常明確的。定壓供水係（xì）統可以說是在實際供水係（xì）統中常見的。這點，從水係統（tǒng）的計算方（fāng）法中也可以看出。通過係統分析，變頻器在四個環節(傳感器、控製器、執行器、被控對象（xiàng）)組成（chéng）的水控製係統中擔任“執行器（qì）"的角色。從自動（dòng）控（kòng）製理論（lùn）可知，供水係統跟蹤的目標（biāo）是保證供水壓力恒定。供（gòng）水係統要得到良好的控製效果，傳感器、控製器和執行器（qì）的性能（néng）必須和被控對象—水回路和水泵—的特性相匹（pǐ）配。
1．相似定（dìng）理導（dǎo）出的變頻泵（bèng）的流量、壓（yā）力、功率和轉速的關係式
在泵內流動完全相（xiàng）似的條件下(即滿足幾何相似、運動相似和動力相（xiàng）似)可以推（tuī）導出著名的流量、壓（yā）頭、功（gōng）率和轉速關係的方（fāng）程式：
流量和（hé）轉速之間的關係：
Q／Q。=(n1／no)=常數 (1)
壓頭和轉（zhuǎn）速之間的關係：
P／P。=(n1／no)2=常數 (2)
功率和轉速之（zhī）間的關係：
W/Wo=(n1／no)3=常（cháng）數 (3)
式中：
Q-變頻水泵流量（liàng），L／s；
P-變頻水泵壓頭。kPa；
W-變頻水泵功率（lǜ），kW；
n-變頻水泵轉速，rpm
下標為O的參數，為額定工況參數，下標（biāo）為1的參數是轉速（sù）為n。時的參數。
(1)-(3)三個關係式是把水（shuǐ）泵從（cóng）水係統中孤立出來，從相似理論推導出的結果。但實際上泵（bèng）是在水係統中運行（háng）的，它是（shì）水係統不可分割的一部分，因此從係統的觀（guān）點來看，對泵（bèng）完全相似（sì）要（yào）求的三個相似條件，是對整個係統而言的，而不是單單對泵的條件，否則泵也不可能處在相似工況運行，這點可以從泵特性曲線和水係統阻力特（tè）性曲線圖1上可（kě）以看出（chū），
在泵的n。特性曲線（xiàn）上，唯有管路阻力特性曲線R。與n。的交點A。和額定工況點Ao完（wán）全相似，才有上述（shù）的3個關（guān）係（xì）式，其他任何點，比如（rú）n。和等壓線P0的交點C就沒有上麵3個關係1如果不分泵的運（yùn）行情況就宣稱變頻（pín）泵功耗和轉速3次（cì）方成正比，這絕對是誤導讀者。在論述泵相似工況時是（shì）把泵從水係統中孤立出來分析的，實際（jì）泵是在（zài）水係統中運行的，它是水係統不可分割的一（yī）部（bù）分（fèn），從係統的觀點來看（kàn），對泵（bèng）完全（quán）相似運行的三個要求，是對整個水係統的，如果水係統不相（xiàng）似，泵也不可能處在（zài）相（xiàng）似工況運行．因此泵變頻（pín）運行時閥門（mén）開度（dù）不能變動，才（cái）能保持相似。如果閥門在變頻過程中開度變動，便破壞了水係統相似流動的基礎——幾何相似。係統不在相似工況運行，在水係統中工作的水（shuǐ）泵當然電（diàn）不可能在相似（sì）工況下運行。由係統分析可知，水係統在相似工況運行變頻水泵的節能效果好。判別（bié）變頻泵
是否在相似工況（kuàng）運行簡單的方（fāng）法是（shì）用泵變頻時閥門開度是否變化來衡量。閥門開度不變化，泵就在相似工況運行．節能效果顯（xiǎn）著（zhe）：閥門開度變化，泵就不在相似工況運行（háng），節能效果變差，而且閥門開度變化越大，節能效果越差.
常見的恒壓供水係統，泵能耗隻和（hé）流量的一次方成正比，是采（cǎi）用變頻節能效果較差的、如果（guǒ）采用空調變（biàn）風量送風係統小靜壓控（kòng）製（zhì）法類似的思想，供水過程中不再保持恒（héng）壓，而是根據大部分閥門是否全開了來判（pàn）斷（duàn）供水壓力是否繼續下降．以求（qiú）得係統的閥門節流損失小。這種觀點（diǎn）作者在文獻[3]中有（yǒu）詳細的論述．
在定壓供水係統中，變（biàn）頻泵在新工況點C的功耗和轉速不再有簡單的(3)式關係，而（ér）是和泵的當下（xià）流量Qc成正比，如公式(4)所示．當然Qc、wc和轉速n。有隱函關係了．
Wc=QcP0／102η (4)
式中：η—泵傳動總效（xiào）率。
從水電比擬法中也可以理解定壓水係統中變頻水泵功耗。在水電比擬中（zhōng），水壓相當於電壓（yā），水（shuǐ）流相當（dāng）於電流，水阻相當於電阻。水壓的含義是單（dān）位時間內向高（gāo）水壓處輸送單位體積的水水泵做的功。電壓（yā）的（de）含義是（shì）單位時間內向高電壓處輸送（sòng）單（dān）位電荷電池（chí）做的（de）功。電壓、水壓都是能量的概念，本（běn）質上是相同的、我們知道，所有定電壓的用電器，其功率隻和電流一次（cì）方成正比。水路和此（cǐ）一樣。這（zhè）點還可以（yǐ）從因次分析中清楚地看出.
2變頻補水泵的選型分析
補水係統中,補水泵的作用是將水上揚到一定的高度(循環係統定壓點) 及克服補水管路係統的阻力。式(1) 中的Hcon 為補水點（diǎn）的循環係統定壓（yā）值,這裏用Ha 表示,補（bǔ）水係統管（guǎn）路特性表達式（shì）為H = Ha + S Q2 (6)
當水泵轉速下降時,特性曲線從曲線（xiàn）①下降為曲線③,管路（lù）特（tè）性（xìng）曲線仍為曲線②,工（gōng）作點從A 點移至B 點,流量從QA 減小為QB ,揚程從HA 減小至HB 。水泵的特性曲線①和（hé）③與管路特性曲線②均存在交點（diǎn）,能夠正常向係統（tǒng）補水。當水泵轉速繼續（xù）下降,性能曲線下降為圖2 中曲線④時,水泵的揚程HC 低於補（bǔ）水點的循環係統定壓值Ha ,水泵無法向係統補水。從變頻水泵的工作特性上分（fèn）析（xī）,轉速降低到一定的下限,有可能導致水泵揚程不足。但在變（biàn）頻（pín）補水泵的實際運行調節中,是否會影響係統（tǒng）的正常（cháng）定壓,還需（xū）進一步研究。離心式水泵在額定頻率以下運行時,由於負載
圖2 補水泵特性曲（qǔ）線和管路特（tè）性曲線
轉矩減（jiǎn）小較多,而電動機的有效轉矩則減（jiǎn）小較少,形成“大馬拉小車”的狀態,泵本身效率將下降。因此泵電動機轉速調節範（fàn）圍不宜太大,通常低轉速（sù）不小於額定轉速的50 % ,一般在（zài）70 %～100 %之間,當轉速低於額（é）定轉速的（de）40 %～50 %時,泵本身（shēn）效率明顯下降,是不經濟的。在合（hé）理的調速範圍(70 %～100 %) 內,水泵的揚程一般不會低於補水點的循環係統定壓值Ha ,水泵可以向係統正常補水。即使在係（xì）統（tǒng）補水量較小的情況下,水泵運行頻率設定（dìng）低於正（zhèng）常範圍,由於水泵一（yī）般是根據係統定壓點的壓（yā）力進行變頻的,隨（suí）著係統（tǒng）壓力的降低水泵變頻（pín）頻率會自（zì）動升高（gāo）,仍（réng）可向係統正常補水,係統壓力可以維持在設定範圍內。從以上分析可知,補水（shuǐ）泵選型仍可按照（zhào）非變頻泵的選型方法選擇水泵的流量及揚（yáng）程等參數(一般設計選型時非變頻泵的（de）流量和揚程已考慮有10 %～20 %的富餘（yú）量(鍋爐房設計規範要求30～50 kPa 富（fù）餘（yú）量) ) ,無需考慮因變頻調速水泵揚程降低而提（tí）高揚程（chéng）的富餘量。
3。在定壓供水係統（tǒng）中對泵性（xìng）能的要（yào）求
在定壓供水係（xì）統中，泵性能應和管網特性、控製策略相匹配才能取得滿意的控（kòng）製結果。變（biàn）頻器價格相對昂貴，因此在實際應用中．泵群都是采取“一變多定”的配置方案（àn）n經過分析．要（yào）完成（chéng）泵群“一變多定（dìng）”省錢的配置（zhì）方案，通常在選擇泵性能時有以下一些（xiē）考慮。
3．1完全滿足¨一變多定"配置方案要求的方案，
經分（fèn）析，完全滿（mǎn）足”一變多定”配置方案要求的（de），隻有具有恒流特性的容積式水泵才可以。如圖2，n0為容積（jī）泵是額定工況特性曲線，n。、n2為容積泵變轉速時的特性曲線，由圖（tú）中可以看（kàn）出，容積泵具有恒流特性的。當（dāng）管網特性由R0變化到R．時，在控製上很容易確（què）定（dìng）開一（yī）台定流量泵和（hé）一台變頻泵來適（shì）應新的工況點流量的要求。但是容積（jī）泵的效率非常低，在水係統中若（ruò）采用容積泵輸送水來滿足“一變多定（dìng）"配置方案的要求，則是完全背離了采用變頻泵進行節能的初衷，因此，這個配置方（fāng）案不能采用。
3．2高性（xìng）能離心泵的變頻控製方案
采用（yòng）了三元流（liú）動、進口導葉等等先進的技術，離心式水泵的特性曲線（xiàn）非常平坦，
高效率的工作區域很寬，這正是水泵生產廠家和用戶追求的。對於定壓供水係統的
高效離心泵機群如果也采用“一變多定”配置的控製方案，則（zé）會引起一些問題。圖3是泵特性曲線圖，從這個圖上可以很容易分析出，在定壓（yā）供水係統中，變頻泵新的工況點也（yě）就是變頻泵特性曲線和等壓線交點，因泵的特性非常平坦，變頻泵的變頻範圍非常小，且新工況點因（yīn）供水壓力小的波（bō）動(這在供水係統中非常正常的)而變（biàn）
化劇烈，工況點極（jí）不穩定，雖然（rán）在控製中可以采用（yòng）軟件（jiàn）濾波的方法改善不穩定的情況，但變、定（dìng）水（shuǐ）泵（bèng）配置方案運行匹配較為困難，節省的能量很有限卻是肯定的，這和采用變頻節（jiē）能控製的初衷也是相違背的。因此對（duì）於實際工程中的高性能離心（xīn）泵機群，所有泵都進行變（biàn）頻控製才是（shì）合理的，如著名的德國WI10公司的MHIE、MVIV係列變頻恒壓多泵並聯供水係統，多台泵全部采用變頻控製（zhì），以避免“一變多（duō）定”運行匹配困難（nán）的問題。如果水係統盡量采用“一變一（yī）備”的配置，用一套變頻器，切換控製（zhì）兩台水泵，同時間隻有一台泵處於變頻運行，那就不會遇（yù）到“一變多（duō）定”運行匹配困難的問題，同時投資也很（hěn）節省，這是變頻（pín）泵水係統設計中一種可行的方法
3．3在各支流管路上安裝小的變頻泵代替閥門以大限度地減少節流損失（shī）的方案。
如果空調係統隻有一台空調機，用小的變頻泵代替閥門，以（yǐ）空（kōng）調（diào）機的送風溫度或以（yǐ）空調機的出水溫度來控製變頻泵的轉速，是可以取得滿意的節能效果的。然而對於多台並聯運行的空（kōng）調機水路中的小變頻泵，各泵（bèng）也相當於並聯（lián）運行。因為各空調機的負荷不同，空調機出水壓頭也不盡同，壓頭高的（de）水就有可能通過壓頭低的泵反流，產生各空調機的（de）調節相互幹擾。為了避免這種情況，各空調機出水口管路上（shàng）必須（xū）加裝（zhuāng）恒壓水閥，以抹平各空調機的出水口壓力的差異，使回水幹管的壓力相同。不過，這種配置增加了係統的複雜（zá）性，並在恒壓閥（fá）上（shàng）也產生一定的節流損失1
