（电气工程专业论文）变频调速恒压供水系统的设计与实现.pdf

值与测量值的偏差进行处理，实时控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电动机 的转速束改变水泵出水口流量，实现管网压力的自动调节，使管网压力稳定在设定值附 近。 设计出了程序梯形图，梯形图用步进控制指令编成。程序根据变频器频率信号是否 到达上限或下限并持续l o 秒来确定是否进行加泵或减泵，如变频器频率信号到达下限 并持续1 0 秒就进行加泵，如变频器频率信号到达上限并持续1 0 秒就进行减泵，程序根 据是否在同一状态持续运行4 小时来确定换泵运行。系统遵循“先启先停、后启后停”的 原则来切换泵以保持管网压力恒定，还能保持每台泵运行时间相当，不致于某一泵长时 间不运行而锈死。 现场调试和运行表明：该系统能够对供水过程进行自动控制，能够有效地降低能耗， 保证了供水系统维持在最佳运行状况，提高了生产管理水平。系统可靠性高、经济性强， 值得推广。 关键词：p l c ；变频调速；p i d 控制；恒压供水 l i a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to f t h eh u m a ns o c i e t ya n dt h ei n d i v i d u a t i o no f p e r s o n a ll i f e p e o p l e b , o m em o r ea n dm o r ec o n g r e g a t e di nt e r m so f l i v i n gs p a c e ，t h u si ti m p o s e sag r e a t e rb u r d e n o nt h ec i t y sw a t e rs u p p l ys y s t e ma n dc a u s e st h ei n s t a b i l i t yo ft h eh o u s e h o l du s e l 8 p i p e l i n e n e t w o r k t h eg e n e r a lm e t h o d st os o l v et h ep r o b l e ma r et h eu t i l i z a t i o n so fc o n s t a n t - s p e e d p u m p , h i g hc i s t e r no rp r e s s u r ea i rt a n ke t c t os u p p l yw a t e r , b u t t h ea f o r e m e n t i o n e dm e t h o d s h a v em a j o rd i s a d v a n t a g e sl i k ed i s s i p a t i o no fe n e r g y ，w a t e rp o l l u t i o na n ds h o r tm a c h i n e s e r v i c e - l i f e t od e s i g nac o n s t a n t - p r e s s u r ew a t e rs u p p l ys y s t e mw i t ht r a n s d u c e rs p e e d c o n t r o l 啪b e t t e rs o l v et h ep r o b l e m t h ec o n s t a n t p r e s s u r ew a t t s u p p l ys y s t e m w i t l l f r e q u e n c y - s p e e dc o n t r o lh a st h ef e a t u r e so fh i g hs t a b i l i t y ，l e s sf l o o rs p a c e ，e l e c t r i c i t ya n d w a t e r - s u v i n g ，h i g ha u t o m a t i z a t i o na n de a s yo p e r a t i o n , w h i c hp r o v i d e sap r a c t i c a lp l a t f o r mt o r e d u c ee n t e r p r i s e s c o n s u m p t i o no fe n e r g y ，a n dw h i c ha l s op r o v i d e sas i g n i f i c a n tm e t h o dt o i n c r e a s et h ee c o n o m i cb e n e f i ta n daw a yt oa l $ u r et h es a f eo p e r a t i o na n ds t a b i l i t yo ft h e e q u i p m e n t s n 佗s y s t e mc o n s i s t so f3m a j o r f e e dp u m p s ，o n es e to fa u x i l i a r yf e e dp u m p ，o n es e to f t y p em i c r o m a s l e r 4 3 0l l a n s d u c e f , o u es e to ft y p e $ 7 - 2 0 0c u p 2 2 4p l c a n dt y p ee m 2 3 5 e x t e n s i v em o d u l e ，o n es e to f y t z - 1 5 0p o t e n t i o m e t r i cl o n g - d i s t a n e ep r e s s u r es e n s o r , o n et y p e y s g 6 0 0 a i 0a i rp r e s s u r ew a t e rs u p p l yt a n ka n ds e v e r a lo t h e rs e c o n d a r yc o m p o n e n t s t h e f o n e t i o no fr e s p e c t i v ec o m p o n e n ti sa sf o l l o w s ：t h el o n g d i s t a n c ep r e s s u r eg a u g ei n s t a l l e do n t h ew a t e rs u p p l yp i p e l i n ec o n v e r t st h ep r e s s u r eo nt h ep i p e l i n ei n t o4 - 2 0 m ae l e c t r i c a ls i g n a l s ， t h et r a n s d u c e ri si nc h a r g eo f r e g u l a t i n gt h er e v so f t h ew a t e rp u m pt oc o n t r o lt h ew a t e rf l u x ， t h ep l cu n i ti sr e s p o n s i b l ef o rt h el o g i c a ls w i t c h e so ft h ep u m p s t h ew h o l ep i p e l i n en e t w o r k i se q u i p p e dw i t ha l la i rp r e s s u r et a n kt oe n s u r et h a tt h ew a t e rs u p p l yp r e s s u r i z a t i o ns y s t e mh a s c e r t a i nc a p a e i t yt os t o r ee n e r g y w h e nt h ef l u xi sl o w , t h ea i rp r e s s u r et a n kt a k e sc h a r g eo f w a t e rs u p p l y ，w h e nt h ef l u xi n c r e a s e s ，t h et i m i n gp u m pw i l lr e g u l a t et h ep u m p sr o t a t es p e e d i no r d e rt oa v o i dt h ef r e q u e n ts t a r t - u p so ft h ew a t e rp u m pa n dr e d u c et h es y s t e m se n e r g y e x p e n d i t u r e a d d i t i o n a l l y , t h es y s t e mi se q u i p p e dw i t hp e r i p h e r a le l e c t r i c a lc i r c u i tt oe n $ b r e t h a tw h e nt h ea u t o m a t i o ns y s t e mb r e a k sd o w n , i tc a nb et u r n e dt om a n u a lo p e r a t i o nt o g u a r a n t e et h ew a t e rs u p p l y , t h ec o n t r o lc i r c u i tp r o v i d e sap e r f e c tw a yt op r o t e c tt h es y s t e m a n dg i v eo u ta l a r mw h e ne m e r g e n c i e so c c u r , s u c ha ss h o r t - c i r c u i t ，o v e r l o a d ，a n dw a t e r s h o r t a g ei np 0 0 1 t h el o n g - d i s t a n c ep r e s s u r es e n s o rc o l l e c t st h ep r e s s u r es i g n a l sf r o mt h ep i p e l i n en e t w o r k , a n dt r a n s f e r st h es i g n a l 幻p l c p l ct r a n s m i t st h es i g n a l st ot h et r a n s d u c e rv i at h ep i d i i i o p e r a t i o nt oc o n t r o lt h ep u m p sr o t a t e 删a n d w a t e rp r e s s u r e , t h u sk e e p i n gt h ep r e s s u r eo f t h ep i p e l i n ei nb a l a n c e t h et r a n s d u c e ro ft h es y s t e mi sr e s p o n s i b l ef o rt h es t a r t - u p ，o p e r a t i o n a n dt i m i n go ft h e4e n g i n e s ，w h i c ha u t o m a t i c a l l yc o m p l e t e st h ep u m pu n i t ss o r s t a r ta n da n i m p a c t - f r e es w i t c hi sa c h i e v e dt oe u s u r et h es m o o t ht r a n s i t i o no ft h ew a t e rp r e s s u r e t h e s y s t e ma l s oi n t r o d u c e sac y c l i cc o n t r o lf u n c t i o nt os t o pa n dr e s tt h ep u m p se n g i n e sb yt u r n s ； t h i sh e l p st oe x t e n dt h em a c h i n e ss e r v i c el i f e h it h e c o n s t a n t - p r e s s u r e w a t e rs u p p l y s y s t e m w i mf r e q u e n c ys p e e d - c e n t r o l 。t h e a d j u s t m e n to ft h ep e r f o r m a n c eo fs i n g l ep u m pu n i ti st h r o u g ht h ee l e c t r i c a lf r e q u e n c y r e g u l a t e db yt h et r a n s d u c e rt o c o n t r o lt h er o t a t e 删o ft h ep u m pa n da l t e rt h ep u m p s p e r f o r m a n c ec u r v e a n a l y z e df r o mt h ec o m p a r i s o nd i a g r a mo fe n e r g yc o n s u m p t i o no ft h e p u m pu n i t s ，i ft h es p e e do f t h ep u m pd r o p s ，t h ew a t e rf l u xi sp r o p o r t i o n a lt ot h er o t a t es p e e d a n dt h ep o w e rf a l l sb yr o t a t es p e e dt ot h e3 , dp o w e r c o m p a r e dt ot h et h r o t t l ev a l v ei nt h e t r a d i t i o n a lw a t e rs u p p l ys y s t e m , i ti se v i d e n tt h a tt h en e ws y s t e mt oac e r t a i ne x t e n tr e d u c e s t h ee n e r g yc o n s u m p t i o n t h ec o n t r o ls y s t e ma d o p t st h es t e p7m i c r o w i np r o g r a m m i n gs o f t w a r eb ys i m e u s , g e r m a nt od e s i g nap i dc o n t r o lu n i tu s e di nt h ep r e s s u r ec o n t r o li nt h ew a t e rs u p p l ys y s t e m t h i sc o n t r o lu n i ti si n s t a l l e di n s i d et h ep l ca n di tr e g u l a t e st h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h eg i v e n p r e s s u r ev a l u ea n dt h ea c t u a lm e a s u r e dv a l u e ，t h e na 面u s t st h eo u t p u tv o l t a g ea n df r e q u e n c yo f t h et r a n s d u c e ri nr e a l - t i m e t h ec h a n g e so f t h ev o l t a g ea n df r e q u e n c yc a u s et h ec h a n g e so f t h e r o t a t es p e e do ft h ep u m pe n g i n e st oc o n t r o lt h ew a t e ro u t p u t b yt h i sw a y , t h ea u t o m a t i c r e g u l a t i o no fp r e s s u r eo nt h ep i p e l i n en e t w o r kc a nb ea c h i e v e dt ok e e pp i p e l i n ep r e s s u r e s t a b l ea n dd o s et ot h eg i v e nv a l u e f i r s tt h ee c h e l o nd i a g r a mo ft h ep r o g r a mi sd e s i g n e da n di ti sc o m p i l e dw i t l lt h es t e p c o n t r o li n s t r u c t i o n s t h ep r o g r a md e c i d e sw h e t h e rt oa c c e l e r a t eo rd e c e l e r a t et h ep u m p s r o t a t es p e e da c c o r d i n gt ow h e t h e rt h et r a l l s d u c e r sf r e q u e n c ys i g n a lr e a c h e st h eu p p e rl i m i to r t h el o w e rl i m i tw i t h i n1 0s e c o n d s i ft h es i g n a lr e a c h e st h el o w e ri i m i ta n dl a s t sf o r1 0 s e c o n d s ，t h ep u m pi sa c c e l e r a t e d ，o t h e r w i s et h ep u m pi sd e c e l e r a t e d a n dt h ep r o g r a ma l s o d e c i d e sw h e t h e rt os w i t c ht oa n o t h e rp u m pa c c o r d i n gt ow h e t h e rt h ew o r k i n gp u m pi si n s t a b l ep e r f o r m 锄c ew i t h i n4h o u r s t h es w i t c h e so f t h ep u m p sf o l l o wt h ep r e c e d e n c eo r d e rt o k e e pt h ep r e s s u r es t a b l ea n di nb a l a n c ea n da l s oi tk e e p se v e r ys i n g l ep u m pr u n n i n gf o ra c e r t a i np e r i o do ft i m ei no r d e rt oa v o i dt h ec o r r o s i o nd a m a g eo fc e r t a i np u m po w i n gt o n o n - w o r k i n g c o n d i t i o ni nav e r yl o n gp e r i o do f t i m e t h eo n - s p o tt e s ta n dt r i a lh a ss h o w nt h a tt h es y s t e ma u t o m a t i c a l l yc o n t r o l st h ew h o l e p r o c e s so fw a t e rs u p p l y i n g ，a n de f f i c i e n t l yc u t sd o w nt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n i te n s u r e s t h e i v w a t e rs u p p l ys y s t e mk e e p so p e r a t i n gi nt h eb e s tr u n n i n gs t a t e ，w h i c he v e n t u a l l yi n c r e a s e st h e p r o d u c t i o nm a n a g e m e n tl e v e l t h es y s t e m i sr e l i a b l e , e c o n o m 砌a n di th a saw i d e a p p l i c a t i o ni nt h es o c i e t y k e yw o r d s ：p l c ：v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dc o n t r o l p i dc o n t r o l ；c o n s t a n tp r e s s u r ew a t e r s u p p l y v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明；所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：聪够塾 日期：文。年f 狷彦日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校 有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位 论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 口保密，在年解密后适用本授权书。 囱不保密。 学位论文全文电子版提交后： ， 酬司意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：郫b 唾 指导教师签名。狮 日期： 日期： 扣 扣 口q 6 弦口h 萝 步 j 日- p可 l易1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景与研究意义 随着社会的发展，城市的高层建筑越来越多，由市政水管网所提供的水压一般满足 不了高层建筑给水的要求。高层建筑的供水系统一旦不能正常工作，必将给人们的工作 和生活带来麻烦，甚至造成巨大的损失。为此，设计一套安全、可靠、高质量的供水系 统给高层建筑供水，具有现实意义。 对于高层住宅的给水系统设计，传统的供水一般采用恒速泵直接供水、高位水箱供 水和气压罐供水三种方式。 1 、恒速泵供水 此方式是一种传统的供水方式，对于离心式水泵，过去常采用手动或自动调节控制 阀的开度来改变流量，即用人为增减阻力的办法来实现调节。当用户需要小流量时，调 小调节阀开度，泵的能量大量损失在调节阀上( 一般阻力降为0 0 2 0 5 m p a ) ，浪费了许 多能量。而往复式机泵常通过备用机组、直流电机调速、旁路调节来适应工况的波动。 改变水泵电动机的转速来调节流量是最经济的调节手段，因为转速降低后，流量成比例 下降，而功耗的下降是大于该比例的。但是转速调节受驱动电动机的限制，采用直流电 动机调整较为方便，但增加了整流装置，而且直流电动机价格昂贵。恒速泵由于耗能不 合理，控制方法的不足，适应性差将逐渐被淘汰。 2 、高位水箱供水 采用楼顶设置高位水箱供水的方式，虽较为安全可靠，设备、技术等方面也较成熟， 然而在后期给水系统的运行、维护和管理过程中，这种供水方式存在一些问题。例如： 由于屋顶水箱的材质表面腐蚀，造成水质严重的二次污染；目前对水箱的内存水的消毒 问题并未能得到较好的解决，水箱内经常还发现有死老鼠的情况；加之屋顶高位水箱的 有效容积受建筑负荷限制，一般只考虑贮存l o 分钟的消防用水量，高层建筑一旦发生火 灾，靠水箱供应扑灭火灾的消防水量，是远不够的。故高层建筑的二次加压供水设施一 高位水箱，给人们的生活和物业管理带来的问题急需解决。 高位水箱的供水系统，实际是一个压力大致恒定的系统，这个压力就是水位的高度。 而管道的阻力特性却是变化的，当用户多时( 也即打开阀门的放水的支路多时) ，管道 的阻力就相应减少，反之则阻力增大，这样就大大降低了供水质量。 虽然高位水箱供水由于运行较为经济合理，适应性强而被广泛采用，目前国内大部 华南理工大学硕士学位论文 分高层建筑均采用此方式供水，但此方式存在着投资大、占用面积大、二次污染等缺点。 3 、气压罐供水 气压罐给水设备用于供水系统，在工程实践中已屡见不鲜。气压罐在供水系统中的 用途不外乎： ( 1 ) 其储水量可满足十分钟消防初期用的水量，从而替代屋顶水箱； ( 2 ) 作为增压设施，以弥补高位水箱设置高度之不足即满足大楼顶层消火栓 处7 m 静水压要求； ( 3 ) 作为供水系统稳压用。 气压罐供水由于体积小，技术简单、不受高度限制等特点，近年来已在高层建筑中 采用，但由于此方式存在着调节量小、水泵启动频繁、对电器设备要求较高等缺点，因 而使这种供水系统的发展受到限制。 事实上要制造满足贮存调节水量为1 8 、1 2 、6 m 3 的气压水罐，在技术上是可以做得 到的，但在实际工程中，由于受到建筑物内场地限制而很难实现。为此广大设计人员对 气压罐只用作增压及稳压设施。 1 2 变频调速恒压供水的意义 随着城市的发展，人们的居住环境越来越集中，加之生活个性化的发展，使得城市 供水系统的负荷变化很大。以前通常采用恒速泵直接供水、高位水箱供水和气压罐供水 几种方式来缓解，这些方法供水压力稳定，但存在水质污染、浪费严重，设备使用寿命 不长，需派专人管理等弊端，近年来在供水系统中引入了变频调速技术，较好地解决了 以上的问题。采用变频调速恒压供水系统和传统的恒速泵供水系统、高位水箱供水系统、 气罐供水系统相比，其优点是： ( 1 ) 水压稳定、维护方便、占地面积小、节约能源； ( 2 ) 起动平稳，起动电流可以限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的 冲击； ( 3 ) 由于泵的平均转速降低了，从而可以延长泵和阀的使用寿命； ( 4 ) 可以消除起动和停止时的水锤效应( 直接起动和停机时，液体动能的急剧变 化，导致对管内的极大冲击，有很大的破坏力) 。 再有，用户用水的多少是经常变动的，因此，供水不足或供水过剩的情况时有发生。 雨用水和供水之间的不平衡集中地反映在供水的压力上；用水多而供水少，则压力低； 2 第一章绪论 用水少而供水多，则压力大。保持供水压力恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用 水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高供水质量。 恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中，若 自来水供水因压力不足或短时断水，可能影响生产质量，严重时使产品报废和设备损坏。 又如当发生火灾时，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些用水区采用恒压供 水系统，具有较大的经济和现实意义。 1 3 变频调速恒压供水的特点及应用范围 1 3 1 变频调速恒压供水控制系统的主要特点是： l 、高效节能； 2 、占地面积小，投入少，效率高； 3 、配置灵活，自动程度高，功能齐全，灵活可靠； 4 、运行合理，由于一天内的平均转速下降，轴上平均扭矩和磨损减少，水泵的使 用寿命大大提高； 5 、由于能对水泵实现软起启动，并可消除水锤效应； 6 、操作简便，省时省力。 1 3 2 变频调速恒压供水控制系统的主要应用场合 恒压供水控制系统的主要应用场合有： l 、高层建筑、城乡供水小区、企事业生活用水； 2 、特殊种类工业需要恒压控制的用水如冷却水循环、热力网水循环、锅炉补水等； 3 、自来水厂增压系统； 4 、农田灌溉，污水处理，人造喷泉； 5 、各种液体恒压控制系统。 1 4 课题的来源和主要研究内容 本课题来源于广州高等专科学校后勤处与轮机系的合作项目。后勤处要求在第8 栋 学生宿舍前做一水泵房，以满足该栋学生用水需要，具体供水设计方案由轮机系负责， 本人参加了此次变频调速恒压供水系统的设计工作。本文的主要工作有： 1 对供水现状进行调研，并提出采用具有众多优点的变频调速恒压供水方案。 2 从水泵理论和管网特性曲线分析入手，讨论水泵工作点( i 况点) 的确定方法和 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 3 华南理工大学硕士学位论文 变水泵性能曲线得以实现的。 3 介绍了基于p l c 的变频调速恒压自动控制供水系统，该系统由一台变频器轮流拖 动4 台水泵电机变频运行。远传压力表采样管网压力信号经p i d 处理传送给变频器，交 频器根据压力信号调整水泵电动机转速，改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保 证管网压力恒定。重点对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程，控制系统的硬件设 计和p l c 程序设计进行研究。 4 通过对p i d 控制器的基本原理的介绍，对德国s i m e n s 公司s 7 - 2 0 0 系列中 c p u 2 2 4 中的p i d 算法的实现作了分析。 5 现场调试设备并进行节能性实验，验证系统的可靠性与经济性。 1 5 本章小结 本章介绍了变频器调速恒压供水的研究背景和现实意义，以及本课题的来源和主要 研究工作。 4 第二章水泵的基本特性和供水系统的节能原理 第二章水泵的基本特性和供水系统的节能原理 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的离心力的原理工 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 水泵供水的主要参数及特性 2 1 1 水泵的主要参数 l 、流量 流量是单位时间内流过管道内某一截面的水量，符号是q ，常用单位是m 3 厶、 m 3 m i n 、m 3 h 等。供水系统的基本任务是满足用户的流量需求。 2 、扬程 扬程是单位质量的水被上扬时所获得的能量，符号是h ，常用单位是m 。扬程主 要包括三个方面：第一是提高水位所需的能量；第二是克服水在管网中流动时所需的能 量；第三是使水流具有一定流速所需的能量。由于在同一管路中，上述的第二和第三是 基本不变的，在数值上也相对较小。可以认为，提高水位所需的能量是扬程的主体部分。 因此，在同一管路内迸行分析时，常简略地把水从一个位置“上扬”到另一位置时，用水 位的变化量( 即水位差) 代表扬程。 3 、全扬程 全扬程也称为总扬程或水泵扬程，全扬程是说明水泵的泵水能力的物理量。包括把 水从水池的水面上扬到最高水位所需的能量，以及克服管阻所需的能量和保持流速所需 的能量，符号是易。 4 、实际扬程 实际扬程即通过水泵实际提高的水位所需的能量，符号是h a 。 5 、损失扬程 全扬程与实际扬程之差，即损失扬程，符号是h l 。日。、日，和日。之间的关系是： 王2 王l + 日( 2 - 1 ) 6 、管阻 管阻是管道系统( 包括水管、阀门等) 对水流阻力的物理量，符号是r 。通常用扬 5 华南理工大学硕士学位论文 程与流量问的关系曲线来描述。 2 1 2 水泵供水的特性与工况点 1 、扬程特性 在管路中阀门完全打开的情况下，表明全扬程坼随用水量q u 变化曲线 h t = ，( 如) ，称为扬程特性曲线，如图2 一l 所示。图中，a 1 点是流量较小( 等于q 1 ) 时的情形，这时，全扬程较大，为h 。；a 2 点是流量较大( 等于q 2 ) 时的情形，这时 全扬程较小，为日，：。当流量越大时，管道中的摩擦损失以及保持一定流速所需的能量 也越大，故供水系统的全扬程就越小。流量的大小取决于用户的用水量，因此，扬程特 性反映了用户的用水需求对全扬程的影响。 图2 1 扬程特性 f i 口- 1c h a r a c t e r i s t i c c u r v eo f h 图2 - 2 管阻特性 f i 9 2 2r e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c o u r v eo f p i p e 2 、管阻特性 管阻特性也叫管路特性，是反映为了维持一定的流量而必须克服管阻所需的能量， 它和阀门开度有关。实际上是表明当阀门开度一定时，为了提供一定流量的水所需要的 扬程，因此，这是的流量，可以理解为“供水流量”，用如表示。所以，管阻特性的函 数关系是王0 = 厂( q o ) ，如图2 - 2 所示。图中表明，在供水流量较小( q o = 9 ) 时，所 需扬程也较小( h ，= h 。) ，如点b 1 ；反之，在供水流量较大( q o = q 2 ) 时，所需扬 程也较大( 坼= 上：) ，如b 2 点。显然，当全扬程不大于实际扬程( h r h a ) 时， 是不可能供水( q o = o ) 的。因此，实际扬程也是能够供水的“基本扬程”。 6 第二章水泵的基本特性和供水系统的节能原理 在实际的供水管道中，流量具有连续性，并不存在“供水流量”与“用水流量”的差别。 这里的q 。和岛是为了便于说明供水和用水需求之间的关系而假设的量。 3 、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2 3 中的a 点 所示。在这一点：供水系统既满足扬程特性n l ，也符合管阻特性r l 。供水系统处于平 衡状态，系统稳定运行。 图2 - 3 供水系统的工作点 f i 9 2 3w o r k i n gp o i n to f w a t e r s u p p l ys y s t e m 4 、供水功率 供水系统向用户供水时所消耗的功率昆( k w ) 称为供水功率，供水功率与流量q 和扬程日，的乘积( 如图2 3 的面积o 包4 日) 成正比，即 圪= c 尸王0 q ( 2 - 2 ) 式中c ，比例常数。 2 2 离心泵的工况调节 在使用水泵的实践中，常常会出现确定的工作点偏离水泵设计工作点，引起水泵效 率降低、功率增加或发生严重的气穴现象，这就必须用改变管路性能曲线或改变水泵性 能曲线的办法来移动工作点，使其符合要求，这种方法叫做水泵工况的调节。现将几种 常用的方法分述如下： 1 节流调节法 增加或减小离心泵排出阔的开度可以使流量增加或减小，称为节流调节。图2 4 示出节流调节时的工况。由图可见，随着排出阀开度的减小，管路曲线变陡( 从r 变为 7 华南理工大学硕士学位论文 r 1 ) ，泵的工况点就从a 点向左移到a l 点，流量也就相应地从q 点减少为q l 。这时 泵的工作扬程虽然提高到h l ，但是原管路所利用的扬程仅为h l ，h 1 - - h 1 即为关小排 出阀所增加的节流损失。应该指示，减少吸入阀开度虽也能调节流量，但可能因吸入压 力降低而产生气空现象，甚至失吸，故不宜采用。 节流调节法经济性较差，但简单易行，因此应用很普遍。特别是泵的特性曲线比较 平坦，管路特性曲线也较平坦( 管路阻力不大) 的场合更为有利。 在节流调节过程中，水泵固有特性不变、仅仅靠关小阀门的开度，人为地增加管路 的阻力，由此增大管路系统的损失，不利于水泵的节能运行。 摊 h l 鞋 图2 - 4 离心泵节流调节的工况 f i 9 2 - 4w o r k i n gc o n d i t i o no f a c e n i t r i cp u m v st h r o t t l i n ga d j u s t i n g 2 回流调节法 调节回流阀( 旁通阀) 的开度，改变液体从泵排出口流回吸入管路的量，以改变主 管路的实际工作流量，称为回流调节，或旁通调节。 回流调节法对一般离心泵来说经济性能很差。因为开大回流阀，减少主管路中的流 量，泵的流量和轴功率反而增加，有相当部分的功率浪费于回流液体的阻力损失上了。 因此。只有比转数n s 3 0 0 的混流泵和轴流泵。它们的功率曲线随流量增加而下降，使 用回流调节才较合适。另外在某些特殊场合下例如有的锅炉给水泵有时要求调到很小的 流量，这时单纯采用节流调节难以调节精确，就用回流调节法作为实现小流量运转的一 种补充调节手段。便用回流调节时，应注意回流管一般不宜直接通到泵的吸口，否则小 流量工作时液体容易因循环而发热。 3 叶轮切割法 如果离心泵用于某系统中流量和扬程经常超过实际需要，为减少功率消耗，可适当 车削叶轮外径来变泵的特性，从而改变工况点 8 第二章水泵的基本特性和供水系统的节能原理 4 变速调节法 当原动机的转速容易调节时，可改交其转速的特性，从而实现工况调节，称为变速 调节。 一台离心泵转速从n 转变为n 时，如不考虑效率的变化，则原特性曲线上各点的参 数q 、h 、p 与新转速相似工况各点的参数q 、h 、p 之间的关系可由相似定律来 确定。由于泵的尺寸没有变化，即可得出： q = q ! l _( 2 3 ) 以 日= 日( 与：( 2 - 4 ) 打 p 。= p ( ! l ) 3( 2 5 ) 刀 这组公式是相似定律的特例，称为比例定律。利用比例定律可以作一台泵在不同转 速下工作时的特性曲线。如将泵在各种转速下的特性画一张图上，即得到离心泵的通用 特性曲线。 变速调节能在较大范围内改变泵的流量，同时保持较高的效率，经济性较好。但原 动机为一般交流电动机转速通常都不可调，因而应用受到限制。泵超过额定转速运行会 使泵和原动机过载而且使泵的排出压力增加，应慎重考虑并征得有关方面同意。 水泵以调速控制方式运行能耗最省，综合效益最高。交流电机的调速方式有多种， 变频调速是高效的最佳调速方案，它可以实现水泵的无级调速，并可方便地组成闭环控 制系统，实现恒压控制。由于变频调速在宽的转速范围都具有高的调速效率，所以是很 有发展前景的。变频调速具有以下优点： ( 1 ) 调速效率高，属于高效调速方式； ( 2 ) 调速范围宽，一般可达2 0 ：1 ，并在整个调速范围内均具有高的调速效率； ( 3 ) 机械特性较硬，在无自动控制时，转速变化率在5 以下；当采用自动控制时， 能作高精度运行，把转速波动控带4 在0 5 1 左右； ( 4 ) 变频器装置万一发生故障，可以退出运行，改由电网直接供电，泵或风机仍 可继续保运转； ( 5 ) 能兼作起动设备，即通过变频电源将电动机带动到某一转速，再断开变频电 源，电动机可再直接接到工频电源。 9 华南理工大学硕士学位论文 2 3 变频调速恒压供水系统节能分析 1 从h - q 特性曲线图分析节能 如图2 - 5 所示为反映离心泵的水压h 和流量q 关系的h - q 曲线特性图。 o 图2 5 水泵的h q 特性曲线 f i 9 2 - 5c h a r a c t e r i s t i cc l l r v eo f a e e n i t r i ep u m p 图中，n i 代表水泵在额定转速运行时的特性； n 2 代表水泵降速运行在n 2 转速时的特性； r 1 代表水泵管路阻力最小时的阻力特性； r 2 - 代表水泵管路阻力增大到某一数组时的阻力特性。 水泵在管路特性曲线r 1 工作时，工况点为a ，其流量压力分别为q l 、h 1 ，此时 水泵所需的功率正比于h l 与q 1 的乘积，即正比于o q l a h l 的面积。当流量减小到 q 2 ，如果通过增加管网管阻，使水泵的工作点移到r 2 上的b 点，扬程增大到h 2 ，这 时水泵所需的功率正比h 2 q 2 的面积，即正比于o q 2 b h 2 的面积。这种调节方式控制虽 然简单、但功率消耗大，不利于节能，是以高运行成本换取简单控制方式。 若采用变频调速，水泵转速由n 1 下降到n 2 ，这时工作点由a 点移到c 点，流量仍 是q 2 ，扬程由1 降到h 3 ，这时变频调速后水泵所需的功率正比于h 3 与q 2 的乘积， 即正比于o q 2 c h 3 的面积，由图2 4 可见代表功率的面积减少部分为： h 3 c b h 2 = o q 2 b h 2 o q 2 c h 3 2 从水泵的工作效率分析节能 工作效率的定义。水泵的供水功率尼与轴功率昂之比，即为水泵的工作效率， d 即r l e = 等。这里，水泵的轴功率p ，是指水泵轴上的输入功率( 即电动机的输出功率) ， f p 或者说，是水泵取用的功率。而水泵的供水功率最是根据实际供水的扬程各流量算得的 功率，是供水系统的输出功率。这里所说的水泵工作效率，实际上包含了水泵本身的效 1 0 第二章水泵的基本特性和供水系统的节能原理 率和供水系统的效率。 水泵工作效率的近似计算公式。水泵工作效率相对值玩的近似计算公式如下： 粥( 譬) q ( 纠2 ( 2 - 6 ) 式中旌、q 、n + 效率、流量、和转速的相对值( 即实际值与额定值之比的百