试论离心式水泵的节能问题.doc

试论离心式水泵的节能问题作 者：飞索半导体有限公司 张志奇湖北省宜昌市自动化研究所 张燕宾1 引言离心式水泵是二次方律负载的主要代表之一，故本文将根据水路管道系统的不同特点，对二次方律负载的节能效果进行讨论。2 节能效果的考察部位2.1供水系统的基本模型与不同部位的功率(1) 变频调速供水系统的基本模型变频调速供水系统中, 能量转换的环节较多, 为了便于说明问题, 这里首先画出供水系统的基本模型如图1所示。图1中:图1 供水系统的基本模型uf变频器，用于将工频电源转换成频率任意可调的电源，提供给电动机并调节其转速，其输入功率为p1，输出功率为。m电动机，是把电能转换成机械能的装置，也是整个供水系统的动力源。它输入电功率，并在轴上输出机械功率pl，带动水泵旋转。p水泵，是把机械能转换成输送水能的装置，也可以看成是供水源。它从电动机输入机械功率pl，并把水池中的水压入输水管道中，以便向用户供水，其输出功率便是供水功率。sp压力传感器，用于测量供水压力。(2) 节能效果的最终着眼点当我们讨论变频调速供水系统的节能效果时，首先必须明确:归根结底，应该由整个系统耗用电能的多少来判定。就是说，在改变频率前后，p1变化量p1的大小，才是真正衡量节能多少的指标。但在许多文献中，这一点似乎往往被忽视了。2.2 供水系统的功率传递关系(1) 供水功率是供水系统向用户供水时所消耗的功率，也是水泵的输出功率，用pg表示。由于管路中的水流量除了和水泵的转速有关外，还和管路的结构、阀门的开度等等因素有关，因此，难以用简单的公式来计算，习惯上是通过扬程特性和管阻特性来进行分析的。不少文章在分析变频调速的节能效果时，往往只根据扬程特性和管阻特性来进行分析，并得出关于系统节能效果的结论，这是有失偏颇的。从图1可知，供水功率pg是并不能等同于系统的耗电功率p1的。(2) 电动机轴上的负载功率电动机的输出功率, 就是水泵的输入功率, 用pl表示。pl和pg间的关系取决于水泵的效率p:有必要指出，由电动机来拖动水泵旋转，属于电力拖动的范畴。因此，在分析其功率关系时，必须符合电力拖动的运行规律。(3) 系统消耗的电功率在图1中，p1指变频器的输入功率;p1指电动机的输入功率, 或变频器的输出功率。但由于变频器本身的功耗所占比例很小, 且和工作频率关系不大。故可以粗略地认为:p1和pl间的关系取决于电动机的效率m:对于电动机输入侧的节能，往往并不为分析者所重视。其实，由于水泵在低速时的阻转矩减小较多，电动机容易处于“大马拉小车”的状态，效率和功率因数都较低。如果不注意调整变频器的各项功能，会影响整个系统的节能效果。反之，正确地预置变频器的功能，可使电动机处于最佳运行状态，进一步实现节能。下面，就各部分的功率逐一进行讨论。3 水泵的供水功率3.1 供水系统的基本参数(1) 流量是单位时间内泵所排出的液体，符号是q，单位是 3/s或kg/s。(2) 扬程单位重的液体，从泵的进口到出口所获得的有效能量，符号是h，单位是j/n或j/。泵的扬程常称为全扬程或总扬程，它包括:(a) 将液体上扬到一定高度所需的能量;(b) 克服液体在管路内的流动阻力(管阻)所需的能量；(c) 使液体有一定的流速所需的能量。(3) 实际扬程供水系统中，为了提供一定流量需要上扬的最小高度，称为实际扬程，符号是a。在图2中，a体现为从水平面到管路最高处之间的扬程。3.2 供水系统的特性与工作点(1) 扬程特性 (a) 定义 以管路中的阀门开度不变为前提，表明在某一转速下，扬程与流量间关系的特性f()，称为扬程特性，如图2(a)中的曲线所示。图2 供水系统的扬程特性(b) 物理意义 扬程特性反映了用户用水流量的大小对扬程的影响:用户的用水流量越大，则管道中的磨擦损失也越大，供水系统的扬程将越小。水泵是管道系统中供水源，所以，扬程特性相当于水泵的“外特性”(类似于电源的外特性)。(c) 扬程特性与转速有关 水泵的转速下降，其供水能力也下降，扬程特性将下移，如图2(b)中之曲线所示。(2) 管阻特性 (a) 定义以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程与流量间关系的曲线f()，称为管阻特性曲线，如图3(a)中的曲线所示。图3 供水系统的管阻特性(b) 物理意义 管阻特性实际上是管道系统的负载特性，它说明了:为了在管路内得到一定量的流量所需要的扬程。管阻特性的起始扬程等于实际扬程(a)。其物理意义是:如果扬程小于实际扬程的话，将不足以克服管路的管阻，从而不能向用户供水。因此，实际扬程可以认为是供水系统中的“空载扬程”。(c) 近似表达式 管道系统中的流量和扬程间的关系服从于柏努利方程，其近似表达式是:(d) 管阻特性与阀门的开度有关 当阀门关小时，管阻系数将增大，管阻也增大，在扬程相同的情况下，流量将越小。故管阻特性将上扬，如图3(b)中之曲线所示。(3)供水系统的工作点 扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点, 如图4中之点。在这一点:供水系统既满足了扬程特性, 也符合了管阻特性。供水系统处于平衡状态,系统稳定运行。这时, 流量为n，扬程为hn。图4 供水系统的工作点(4) 流量与转速的关系由上述分析可知，流量既和转速有关，也和阀门开度有关:式中，kv和管路结构及阀门开度有关的系数。式(2)表明，在阀门开度不变的前提下，流量是和转速成正比的。3.3 供水功率 (1) 供水功率的计算供水功率与流量和扬程的乘积成正比:由图4可以看出:供水功率与面积成正比。(2) 供水系统的空载功率式(5)中的pa是供水系统的空载功率，意思是在系统向用户的供水流量为0时，必须消耗的最大功率。其数值除了和转速有关外，还和实际扬程以及阀门开度的大小有关。就是说，水泵的供水能力必须首先克服了管道系统的实际扬程之后，才能向用户供水。十分明显的是，空载功率所占的比例越大，调节转速所导致的节能效果越差。3.4 调节流量的方法与比较(1) 阀门控制法 即通过关小或开大阀门来调节流量，而转速则保持不变(通常为额定转速)。阀门控制法的实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的管阻大小来“强行”改变流量，以适应用户对流量的需求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。图5 调节流量的方法与比较如图5所示，曲线是额定转速下的扬程特性，曲线是阀门全开时的管阻特性，n为工作点。设用户的用水流量由qn减小为qb，当通过关小阀门来实现时，管阻特性将改变为曲线，而扬程特性则仍为曲线，故供水系统的工作点移至点，这时:流量减小为qb;扬程上升为hb;由式(3)知，供水功率pb与面积oebf成正比。阀门控制时，供水系统的工作点是在额定转速的扬程特性曲线上移动的。(2) 转速控制法 即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度则保持不变(通常为最大开度)。转速控制法的实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的需求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。仍假设用户所需流量由n减小为qb，当转速降低时，扬程特性下降为曲线，管阻特性则仍为曲线，工作点移至c点。这时:流量减小为qb; 扬程减小为c; 供水功率pc与面积oech成正比。转速控制时，供水系统的工作点是在最大开度的管阻特性上移动的。(3) 两种方法的比较 比较上述两种调节流量的方法，可以看出:在所需流量小于额定流量的情况下，转速控制时的扬程将减小，而阀门控制时的扬程将增大。所以，转速控制方式所需的供水功率比阀门控制方式小得多。两者之差便是转速控制方式节约的供水功率，它与面积hcbf(图中的阴影部分)成正比。这是变频调速供水系统具有节能效果的最基本的方面。在这里，必须注意以下两个问题:比较的内容 上面所进行的比较仅仅是指供水功率方面的节能效果，而不是整个系统的节电功率。比较的条件 上述的分析是以所需流量相同为前提的。但这个前提常常是不符合实际工况的。众所周知，变频调速供水系统能够通过pid调节功能自动地保持供水与用水之间的平衡。但在实行变频调速之前，是否也有一个能够根据用户所需流量对阀门的开度进行自动调节的控制系统呢？如果在实现变频调速之前，阀门是用人工控制的，实际上并不能跟踪用水流量的变化。而一般情况下，人工控制的裕量总是偏大的。所以，变频调速供水系统在供水功率方面的实际节能效果，往往要好于上述分析的结果。3.5 恒压供水的控制特点(1) 恒压供水的目的对供水系统进行的控制，归根结底，是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。但流量的检测比较困难，费用较高。考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力(由供水流量qg表示)和用水需求(由用水流量qu表示)之间的平衡情况有关。具体地说，有:可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在流体压力的变化上。从而，压力就成为了用来作为控制流量大小的参变量。就是说，保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了使供水能力和用水需求处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量，这就是恒压供水所要达到的目的。(2) 恒压供水系统框图如图6所示，变频器有两个控制信号:图6 恒压供水控制框图(a) 目标信号xt即通过电位器rp接至vci端的信号，该信号是一个与所要求的压力大小相对应的值，通常用百分数表示。目标信号也可以由键盘直接给定。(b) 反馈信号xf是压力变送器sp反馈回来的信号，接至变频器的cci端，该信号是一个反映实际压力的信号。 在变频器内部，xt和xf两者总是处于相比较的状态。通过pid调节，使xf无限接近于xt，整个系统的工作过程如下: 当用水流量减小，供水能力qg用水流量qu时，压力将上升，反馈信号xf合成信号(xtxf)变频器输出频率fx电动机转速x供水能力qg直至压力大小回复到目标值、供水能力与用水流量重新又获得平衡(qgqu)时为止; 反之, 当用水流量增加, 使qgqu时, 则xf(xtxf)fxnxqgqg=qu,又达到新的平衡。3.6 循环水系统的特点(1) 循环水系统的实例 循环水系统主要见于中央空调系统中。如图7所示，有两个循环水系统:图7 循环水系统(a) 冷冻水循环系统由冷冻泵及冷冻水管道组成。从冷冻主机流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，通过各房间的盘管，带走房间内的热量，使房间内的温度下降。同时，房间内的热量被冷冻水吸收，使冷冻水的温度升高。温度升高了的循环水经冷冻主机致冷后又成为冷冻水，如此循环不已。(b) 冷却水循环系统由冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成。冷冻主机在进行热交换、使水温冷却的同时，必将释放大量的热量，使主机本身发热。冷却泵将冷却塔中的冷却水压入冷冻主机，吸收主机所产生的热量，避免主机的温度升高。然后又将升了温的回水由冷却泵压回冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，再将已经降温的冷却水，重新送回到冷冻主机。如此不断循环，带走了冷冻主机释放的热量。(2) 循环水系统的特点循环水系统犹如一个连通器，在静止状态下，水泵的进水管与出水管中的水平面是相同(冷冻水)或接近于相同(冷却水)的。从而，所需要的实际扬程等于或接近于，由此而引起的结果是:(a) 式(5)中的空载功率pa所占的比例将很小，故平均转速下降后的节能效果将十分显著。(b) 因为ha0(冷冻水)或ha0(冷却水)，故转速的调节范围将十分宽广，根据实践经验，最低工作频率甚至可达15hz以下。我们在承接一个二十层高楼的中央空调系统的冷冻水和冷却水的变频调速系统时，曾有人怀疑:频率下降后，冷冻水会不会上不去？但后来的实践证明，上述疑虑是完全多余的。4 电动机的负载功率电动机是通过克服水泵供水时的阻转矩而旋转和作功的。因此，在分析pl的大小时，必须首先了解水泵阻转矩的形成及其规律。4.1 水泵的机械特性(1) 机械特性的定义任何机械在运行过程中，都有阻碍运动的力或转矩，称之为阻力或阻转矩，通常称为负载转矩。负载转矩随转速而变化的关系lf(nl)称为负载的机械特性。水泵的机械特性, 也就是水泵的阻转矩与转速的关系。(2) 水泵机械特性的表达式水泵的阻转矩是由水流对叶片的反作用力构成的。迄今为止，被学术界公认的基本表达式是:式(6)通常称为离心式水泵的机械特性方程，其机械特性曲线如图8所示。图8 离心式水泵的机械特性在这里，空载转矩t0是水泵本身的损耗转矩，数值上等于空转时电动机轴上的阻转矩，主要由各部分的磨擦力和其他阻力构成。由于与额定转矩相比，所占比例很小，在粗略估算中，常被忽略不计，从而使式(6)成为:所以, 离心式水泵常被称为二次方律负载。这个规律是离心式水泵的固有特性, 是不以控制方式为转移的。就是说,水路的管道系统不论采取哪种方式进行控制, 只要转速改变了, 水流对叶片的反作用力所构成的阻转矩都将符合此规律。4.2 电动机的负载功率(1) 负载功率的计算电动机输出的是机械功率，它与转矩和转速的乘积成正比:(2) 广义地理解空载功率所谓节能效果，是对两种工作状态比较的结果。比较时，必须区分两种工作状态中的共同部分和不同部分，因为共同部分在比较过程中总是互相抵消的。当讨论变频调速供水系统的节能效果时，则是对转速较高和转速较低(阀门开度相同)时消耗功率的比较。从前面的讨论中可以看出，供水系统中的空载功率pa是消耗功率的共同部分。就是说，不论转速高低，都必须把水上扬至实际扬程后，才能开始向用户供水。因此, 对于一个用于供水的电力拖动系统来说, 式(9)中的空载功率p0应该广义地理解为既包括水泵空转时的机械损失，也包括供水系统的空载功率。许多变频器的营销公司喜欢根据式(10)来宣传变频调速的节能效果，如果用于供水系统，是言过其实的; 如果用于循环水系统，则误差较小。5 系统消耗的电功率5.1 影响节能效果的主要因素离心式水泵在实施变频调速后的一个核心问题是如何解决好“大马拉小车”的问题。根据电机学原理，异步电动机在轻载时的效率与功率因数都较低。因此，如果处理得不好，将影响整个系统的节能效果。水泵拖动系统中，产生“大马拉小车”现象的原因主要有:(1) 设计中的问题 由于用户的管道系统是各不相同的，水泵生产厂不可能对用户的管道系统作明确的限定。所以，在选择电动机容量时，留出的裕量较大；(2) 低速运行的结果 离心式水泵在额定频率以下运行时，由于负载转矩减小较多，而电动机的有效转矩则减小较少，形成“大马拉小车”的状态。图9所示是u/f比为常数(如图所示)时的情形。图9 u/fc的工况在额定情况(fxfn)下，电动机的机械特性如图(b)中之曲线所示，额定转矩为tmn，与负载转矩相差不大；当频率下降为fa时, 电动机机械特性如曲线所示。电动机的有效转矩减小为tea, 但负载转矩却下降得更多, 为tld。十分明显,“大马拉小车”的现象更加严重了。5.2 变频器的节能措施(1) 减少u/f比方式 解决“大马拉小车”的主要途径之一是降低电压。异步电动机在电压降低时，磁通及电流的励磁分量(是电流中的无功分量)都将减小，功率因数cos和效率都得到改善，从而可以达到节能的目的。具体的措施是在低频运行时，减小u/f比, 使u/f线如图10(a)中之曲线(通常称为低减u/f线)所示。由图知，当频率为fa时，电压下降为ua。图10 低减压频比的节能原理降低电压后的机械特性如图10(b)中之所示，电动机的临界转速ka不变，但临界转矩tka的大小是和电压平方成正比的，减小较多。这时，电动机的有效转矩减小为tea，和负载的阻转矩tld之间的差距减小了，解决了“大马拉小车”的问题。(2) 自动搜索最佳工作点变频器中，/f比可以任意预置这一特点，换一个角度看，则:变频器在某一个工作频率下，其输出电压是可以任意调节的。于是提出了一个问题:在运行频率和负载转矩都不变的情况下，连续地降低变频器的输出电压，电动机的运行电流是否也不断地减小？答案是否定的，这是因为:电压过小，磁通必然减小，但在磁路不饱和的情况下，励磁电流的变化不大。另一方面，为了产生足够大的电磁转矩tm，以平衡负载转矩，电流的转矩分量i2必然增大，如图11(a)中的点所示。所以，电压下降到一定程度后，如再继续降低，电流将增大。图11 电动机的电流电压曲线因此，电动机存在着一个最佳工作点，如图11(a)中之点。负载改变，电动机的工作状态也改变，最佳工作点也随之改变，如图11(b)所示。有的变频器具有随时搜索电动机最佳工作点的功能，使电动机在任何情况下，其取用电流始终保持最小，从而达到有效节能的目的。(3) 预置好变频器的各项功能 据笔者所知，相当一部分应用于二次方律负载(离心式风机和水泵)的变频器，往往没有根据负载的特点，预置好功能，整个调速系统未能充分发挥其节能效果。所以，要提高变频调速供水系统的节能效果，必须认真地预置好变频器的各项功能。6 几个需要探讨的问题6.1 关于水路和电路的类比有人提出，水路和电路十分相似，可以用电路中的某些规律和结论套用到水路中。例如，恒压源直流电路中，功率是和电流的一次方成正比的。所以，在水路中，功率也应与流量(从而转速)的一次方成正比。笔者以为，上述结论非但不符合实际，在理论分析上也有欠妥之处。图12 水路与电路的比较以图12(b)所示的冷冻水循环系统的恒压差控制为例，它是水路中和电路最为相似的一个例子，如图12(a)所示。今分析它们的运行规律(为方便起见，各物理量都用相对值表示):(1) 电路工作情况假设:在图12(a)中，电源电压等于额定电压:(a) 当开关s1和s2都闭合时, 电源电流等于额定电流:由于电压和电流之间为线性关系，故工作特性如图(a)中之曲线所示。电路消耗的功率为:以上各式中，分别为电流、电压和功率的相对值:式中，分别为电压、电流和功率的额定值。(b) 当开关s2断开后，有: is*0.5(假设各支路的电阻都相等)。其工作特性如图(a)中之曲线。电路消耗的功率为:可见，电路消耗的功率与电流成正比。(2)循环水系统的工作情况(a) 假设:当阀门v1和v2都全开时，扬程特性如图13(b)中之曲线，管阻特性如曲线，工作点为n点。图13 电路与水路的工况水泵的输出流量等于额定流量,所需扬程等于额定扬程:故管阻特性必经过x(0.5,0.55)点，如图(b)中之曲线所示。在水泵的转速未变时，扬程特性仍为曲线，工作点将移至s点。这时，流量减小为qw*(由于流速加快，故qw*0.5)，而扬程上升为hw*，压差增大。通过恒压差控制，降低变频器的输出频率，使水泵的转速下降，直至扬程特性降为曲线时，系统的工作点移至x点。如上述，这时: qwx*0.5，hwx*0.55。水泵的供水功率为: pw2*0.550.50.275可见，水泵的输出功率并不和流量的一次方成正比。(3) 结论(a) 水路与电路的基本规律是不同的:电路服从于欧姆定