背压对泵与风机变速调节节能效益的影响

1、1 背压对泵与风机变速调节背压对泵与风机变速调节 节能效益的影响节能效益的影响 余彦洲余彦洲2（管网）管路特性曲线（管网）管路特性曲线泵与风机的性能曲线泵与风机的性能曲线泵与风机的工况调节泵与风机的工况调节泵与风机的基本性能参数泵与风机的基本性能参数概念概念补充补充ADBC3 A 泵与风机的基本性能参数泵与风机的基本性能参数 泵泵与风机的基本性能参数主要有：流量与风机的基本性能参数主要有：流量qV 、能头（扬程、能头（扬程 H或全压或全压p）、轴功率）、轴功率Psh 、有效功率、有效功率Pe 、效率、效率 和转速和转速n 等。等。 流量流量 能头能头 功率和效率功率和效率 转速转速 4 流量

2、泵与风机在单位时间内所输送的流体量，通常用体积流泵与风机在单位时间内所输送的流体量，通常用体积流量量qV 表示，单位为表示，单位为m3/s，m3/h。 对于非常温水或其它液体也可以用质量流量对于非常温水或其它液体也可以用质量流量qm 表示，单表示，单位位为为kg/s，kg/h。 qm 和和qV 的换算关系为：的换算关系为：qm= qV5 能头 单位重力（体积）流体通过泵（风机）所获得的机械能。单位重力（体积）流体通过泵（风机）所获得的机械能。 2gVgpZ2gVgpZEEH2111222212对于泵：通常用扬程对于泵：通常用扬程 H 表示，单位为表示，单位为m； 2112222121VpVpp

3、 说明：下标说明：下标“1、2” 表示泵与风机进表示泵与风机进口和出口截面；和泵比较略去了口和出口截面；和泵比较略去了 g Z。 对于风机：通常用全压对于风机：通常用全压p表示，单位为表示，单位为Pa。6 功率和效率 原动机原动机传动装置传动装置泵与风机泵与风机效率：效率： 传动效率：传动效率： tm有效功率：有效功率：（kW）10001000eVVpqHgqP 轴功率：传到泵与风机轴功率：传到泵与风机 轴上的功率轴上的功率 /eshPP （kW） 原动机输出功率：原动机输出功率： tmshg/ PP （kW）7 转速 泵与风机轴每分钟的转数，通常用泵与风机轴每分钟的转数，通常用n 表示，单位

4、为表示，单位为r/min。 8泵与风机所提供的的流量和扬程间的关系用泵与风机所提供的的流量和扬程间的关系用H=f1(Q)来表示来表示泵与风机所提供的的流量和轴功率间的关系用泵与风机所提供的的流量和轴功率间的关系用N=f2(Q)来表示来表示泵与风机所提供的的流量和设备效率间的关系用泵与风机所提供的的流量和设备效率间的关系用 =f3(Q)来表示来表示 B 泵与风机的性能曲线泵与风机的性能曲线 上述关系用曲线形式绘在以流量上述关系用曲线形式绘在以流量Q为横坐标的图上，这些曲为横坐标的图上，这些曲线就叫线就叫性能曲线性能曲线。9 B 泵与风机的性能曲线泵与风机的性能曲线理论性能曲线理论性能曲线性能曲线

5、性能曲线实际性能曲线实际性能曲线10l理论性能曲线理论性能曲线 从欧拉方程出发，在理论条件下得到从欧拉方程出发，在理论条件下得到H=f1(Q)以及以及N=f2(Q)的关系。的关系。 有理论计算，有理论计算，H与与Q的关系为：的关系为： H=A-Bcot2Q 其中，当泵与风机的大小一定，转速不变时，上其中，当泵与风机的大小一定，转速不变时，上式中的式中的A、B为常量；为常量；cot2与叶型种类有关，也是常与叶型种类有关，也是常量。量。11l理论性能曲线理论性能曲线 由关系式可知，当泵与风机的转速一定，不论叶型如何，由关系式可知，当泵与风机的转速一定，不论叶型如何，泵与风机理论上的流量和扬程关系是

6、线性的。泵与风机理论上的流量和扬程关系是线性的。不同叶型的理论扬程和流量曲线不同叶型的理论扬程和流量曲线 为前向叶型曲线为前向叶型曲线为径向叶型曲线为径向叶型曲线为后向叶型曲线为后向叶型曲线12l理论性能曲线理论性能曲线 在理论上，有效功率就是轴功率，即：在理论上，有效功率就是轴功率，即：QHNNTe 当输送某种流体时，当输送某种流体时，=常数，于是有：常数，于是有：QHNNTe2cotBQAH22ecotQDCQN13l理论性能曲线理论性能曲线NQ。902。902。902不同叶型的理论不同叶型的理论轴功率轴功率和流量曲线和流量曲线 从图中从图中N-Q图可以看出，图可以看出，前向叶型的风机所需

7、的轴功前向叶型的风机所需的轴功率随流量的增加而增长的很率随流量的增加而增长的很快。因此，这种风机在运行快。因此，这种风机在运行中增加流量，原动机超载的中增加流量，原动机超载的可能性比径向叶型风机大得可能性比径向叶型风机大得多，而后向叶型风机几乎不多，而后向叶型风机几乎不会发生原动机超载的现象。会发生原动机超载的现象。14l实际性能曲线实际性能曲线 由于泵与风机在实际运行时，存在一些损失（流动损失、容由于泵与风机在实际运行时，存在一些损失（流动损失、容积损失等），所以泵与风机的实际性能曲线不可能像理论性能曲积损失等），所以泵与风机的实际性能曲线不可能像理论性能曲线那样，线那样， =Ne/N(有效

8、功率与轴功率之比有效功率与轴功率之比)计算在不同流量下的计算在不同流量下的 值，从而绘出值，从而绘出 -Q曲线。曲线。离心式泵与风机的性能曲线离心式泵与风机的性能曲线( (a a) )前向叶轮；前向叶轮；( (b b) )后向叶轮后向叶轮15 C (管网管网)管路特性曲线管路特性曲线 以横坐标为流量以横坐标为流量Q Q，纵坐标为压头的直角坐标系作出流量与压纵坐标为压头的直角坐标系作出流量与压头的关系曲线图即为管路特性曲线。头的关系曲线图即为管路特性曲线。狭义的管路特性图狭义的管路特性图广义的管路特性图广义的管路特性图16 D 泵与风机的工况调节泵与风机的工况调节 一、泵与风机调节的目的：一、泵

9、与风机调节的目的： 由于用户需要的流量经常变化，而设备运行时的工况点是由设由于用户需要的流量经常变化，而设备运行时的工况点是由设备性能曲线和管道性能曲线共同决定的，应采用一定的方法进行工备性能曲线和管道性能曲线共同决定的，应采用一定的方法进行工况调节况调节,来满足流量变化的要求来满足流量变化的要求. 二、二、工况调节原理及具体调节方法：工况调节原理及具体调节方法： 泵与风机性能调节与管网系统性能调节两种方法。泵与风机性能调节与管网系统性能调节两种方法。17l调节管网系统特性调节管网系统特性 调节管网系统特性，改变管网特性曲线，从而改变与泵与风机调节管网系统特性，改变管网特性曲线，从而改变与泵与

10、风机性能曲线的交点性能曲线的交点工况点。工况点。 改变管网特性曲线最常用的的方法就是改变管网中的阀门开启改变管网特性曲线最常用的的方法就是改变管网中的阀门开启程度，从而改变管网的阻力特性（程度，从而改变管网的阻力特性（S），使管网特性曲线变陡或变），使管网特性曲线变陡或变缓，从而移动泵与风机的工况点，达到调节流量的目的。缓，从而移动泵与风机的工况点，达到调节流量的目的。18l调节管网系统特性调节管网系统特性 如下图：曲线如下图：曲线1、2和和3分别为管网初始状态的特性曲线和阻分别为管网初始状态的特性曲线和阻抗增减调节后的特性曲线；曲线抗增减调节后的特性曲线；曲线4为泵（风机）的性能曲线。为泵（

11、风机）的性能曲线。 关小管网中的阀门，阻抗增关小管网中的阀门，阻抗增大，管网特性曲线大，管网特性曲线1变陡为曲线变陡为曲线2，工况点由工况点由A移到移到B，相应的流量由，相应的流量由QA减至减至QB。当开大管网中的阀门，。当开大管网中的阀门，阻抗减小，管网特性曲线阻抗减小，管网特性曲线1变缓为变缓为曲线曲线3，工况点由，工况点由A移至移至C，相应，相应流量增为流量增为QC。管网性能调节的工况分析图管网性能调节的工况分析图19l调节泵与风机的性能调节泵与风机的性能 泵与风机的性能调节方式分为泵与风机的性能调节方式分为变速调节变速调节和和非变速调节非变速调节两大类。两大类。 非变速调节的方式有：入

12、口节流调节，离心式和轴流式风机的非变速调节的方式有：入口节流调节，离心式和轴流式风机的前导叶调节，切削叶轮调节等。前导叶调节，切削叶轮调节等。 变速调节不仅方便而且还常用，所以我主要讲一讲变速调节。变速调节不仅方便而且还常用，所以我主要讲一讲变速调节。20变速调节变速调节 定义：变速调节是指管路特性曲线不变时用改变转速来改变定义：变速调节是指管路特性曲线不变时用改变转速来改变 泵或风机的性能曲线，从而改变它们的工作点。泵或风机的性能曲线，从而改变它们的工作点。 相似工况，性能参数之间的关系：相似工况，性能参数之间的关系：322 nnNNnnPPnnHHnnQQ HHQQPPQQnn222或21

13、变速调节变速调节 广义工况分析：广义工况分析：BQCQAQBHAHCHBAstBstABAHHHHHHQQ2 这不满足相似工况这不满足相似工况的定义，所以的定义，所以A A和和B B不不是相似工况点。是相似工况点。BQCQAQstHBHAHCH22变速调节变速调节 狭义工况分析：狭义工况分析：（）AHBHBQAQ 管网特性曲线与变转管网特性曲线与变转速的相似工况曲线重合。速的相似工况曲线重合。23变速调节变速调节 结论：结论： 1. 1.具有狭义的管网特性曲线的管网，当其特性（阻抗具有狭义的管网特性曲线的管网，当其特性（阻抗S S）不变时，）不变时，泵与风机在不同转速运行时的工况点是相似工况点

14、，流量比值与泵与风机在不同转速运行时的工况点是相似工况点，流量比值与转速比值成正比，压力比值与转速比值平方成正比，功率比值与转速比值成正比，压力比值与转速比值平方成正比，功率比值与转速比值三次方成正比。转速比值三次方成正比。 2. 2.用降低转速来调小流量，节能效果显著；用增加转速来增大用降低转速来调小流量，节能效果显著；用增加转速来增大流量，能耗增加剧烈。在理论上可以用增加转速的方法来提高流流量，能耗增加剧烈。在理论上可以用增加转速的方法来提高流量，但是转速增大后，使叶轮圆周速度增大，因而可能增大振动量，但是转速增大后，使叶轮圆周速度增大，因而可能增大振动和噪声，且可能发生机械强度和电机超载

15、问题，所以一般不采用和噪声，且可能发生机械强度和电机超载问题，所以一般不采用增速的方法来调节工况。增速的方法来调节工况。24目 录计计 算算 实实 例例变变 速速 节节 能能 效效 益益 随随 背背 压压 的的 变变 化化变变 速速 工工 况况 参参 数数 随随 背背 压压 的的 变变 化化 规规 律律分分 析析 模模 型型引引 言言结结 论论25 1 引言引言 采用变速调节的泵与风机因具有显著的节能效益 ,得到了广泛的应用 ,但存在一个值得注意的问题 ,即变速调节的节能效益与系统特性有密切的关系 ,不同的管路系统 ,变速调节的节能效益不同。 按流体通过泵或风机的能量增值所起的作用 ,管路系统

16、可以分为两类： a) 有背压系统 b) 无背压系统26a)a)有背压系统有背压系统 即系统中流体通过泵或风机的能量增值 ,一部分用于克服管路阻力 ,一部分用于提升流体势能 ,如高位水塔供水系统、锅炉供水系统及热水供热工程中的补水定压系统等。 1 引言引言27b)b)无背压系统无背压系统 1 引言引言 即系统中流体通过泵或风机的能量增值全部用于克服管路阻力 ,如通风系统、 热水供暖系统、 空调冷水系统以及其他液体闭式循环系统。28 2 分析模型分析模型 为了方便，下面以泵为对象进行分析，所得结果适用为了方便，下面以泵为对象进行分析，所得结果适用于风机。于风机。 如图1，泵的设计工作点为A,对应的

17、流量为Q1，扬程为HA。现需把流量调节为Q2，若采用节流调节，泵的工作点为C，管路特性曲线变为；若采用变速调节，泵的工作点为B，对应的转速为n2。29 2 分析模型分析模型 假设同一型号的泵在不同管路系统中工作，但设计工作假设同一型号的泵在不同管路系统中工作，但设计工作点相同，变速后系统的流量相同。在这个条件下，通过分析点相同，变速后系统的流量相同。在这个条件下，通过分析变速工况工作点的参数随变速工况工作点的参数随h h的变化规律，探讨变速调节的节能的变化规律，探讨变速调节的节能效益与背压效益与背压h h的关系。的关系。30 3 变速工况参数随背压的变化规律变速工况参数随背压的变化规律扬程随背

18、扬程随背压的变化压的变化效率随背效率随背压的变压的变化化功率随背功率随背压的变化压的变化31 3.1 扬程随背压的变化扬程随背压的变化变速之后，泵的扬程变为变速之后，泵的扬程变为 (1) 由由A点坐标可得点坐标可得 (2) 22SQh BH21hQHSA32 3.1 扬程随背压的变化扬程随背压的变化把公式（2）代入（1）得： （3） 因为 ，所以 为单调增函数，即HB随h的增大而增大。 hhhf2122ABHQQHh121222122QQHQQA112QQ hf33 3.2 效率随背压的变化效率随背压的变化 如图如图 2 所示所示 ,根据根据 B 点的坐标点的坐标 Q2和和 HB ,可求出过可

19、求出过 B 点点的抛物线方程：的抛物线方程： 222QQHHB 这条抛物线（图2中曲线）与泵的性能曲线的交点为D。B、D为相似工况，因而两工况效率相等。而D在效率曲线上对应的点为D,所以B工况效率就是D点的值。当h=0时，管路性能曲线为，这种情况下的变速调节工况B0与A为相似工况。34 3.2 效率随背压的变化效率随背压的变化 由图由图2可以看到，当变速调节工况可以看到，当变速调节工况B从从B0向上变化，则其相似工况向上变化，则其相似工况D沿曲线沿曲线从从A出发向上运动，出发向上运动，D工况在效率曲线上对应的工况在效率曲线上对应的D亦从亦从A出发向左运动。那么，出发向左运动。那么，B工工况的效

20、率随况的效率随h的变化可分为二种情况：的变化可分为二种情况： 一是设计工况一是设计工况A在效率曲线上在效率曲线上对应点对应点A在最高点或其左边，则在最高点或其左边，则B工况的效率是随工况的效率是随h增大而单调减小。增大而单调减小。 二是二是A在最高点的右边，即在最高点的右边，即效率曲线的下降段，则随效率曲线的下降段，则随h的增的增大，大，B工况的效率是先有稍微的增工况的效率是先有稍微的增大，然后逐渐下降大，然后逐渐下降35 3.3 功率随背压的变化功率随背压的变化 B工况的轴功率为 (5) 式中 为流体密度。 HB随h的增大而增大，B随h的增大而降低，因此NB将随h的 增大而增大。BBBHQN

21、g236 4 变速节能效益随背压的变化变速节能效益随背压的变化 本文所说的节能节能，是指在达到相同的调节目的情况下，变速变速调节调节和与其他调节方式向比较，能耗的减小，主要是与节流调节节流调节相比较，因为节流调节最简单，因而其应用也最普遍。C、B两工况的轴功率差为：BBCCBCHHNNN2gQ N随h的增大而减小，即变速调节的节能效益随h的增大而降低。37 4 变速节能效益随背压的变化变速节能效益随背压的变化 节能率(节能幅度)：CBCBCNNNNNX138背压的增大，变速调节工况的扬程增大，效率背压的增大，变速调节工况的扬程增大，效率下降，轴功率增大！下降，轴功率增大！背压的增大，变速调节工

22、况与节流调节工况背压的增大，变速调节工况与节流调节工况的轴功率差减小！的轴功率差减小！背压的增大，变速调节的节能效益降低！背压的增大，变速调节的节能效益降低！ 4 变速节能效益随背压的变化变速节能效益随背压的变化39 4 变速节能效益随背压的变化变速节能效益随背压的变化 不能直接用不能直接用NN计算和评价变速调节的节能效益，还必计算和评价变速调节的节能效益，还必须考虑变速装置的效率。假设变速装置的效率为须考虑变速装置的效率。假设变速装置的效率为m m，那么变，那么变速调节与节流调节相比，节能的条件是速调节与节流调节相比，节能的条件是 。 但但 h 增大到一定程度增大到一定程度 ,有可能出现有可

23、能出现 的情况的情况 ,这时这时 ,变变速调节不节能速调节不节能 ,反而耗能更多反而耗能更多。 CBNNmCBNNm40 5 计算实例计算实例 假设假设同一型号同一型号的泵在的泵在 3 3 个不同的系统中工作个不同的系统中工作 , ,管路性能曲管路性能曲线分别为线分别为 , , , , ( (见图见图 3) , 3) ,分别用下述方程描述分别用下述方程描述: :41 5 计算实例计算实例 系统具有相同的设计工况系统具有相同的设计工况, , 设计工况点为设计工况点为A A ，对应的转速，对应的转速为为n n1 1, ,流量为流量为Q Q1 1。现要求把流量调节为。现要求把流量调节为Q Q2 2，

24、若采用变速调节，3个系统的工况分别为D、E 、F；若采用节流调节，工况均为G。42 5 计算实例计算实例 选择ISG150-400G型立式离心式水泵,以产品说明书中给出的性能曲线为依据,选定Q1,Q2和H1,H2之后,计算D、E、F、G点的工况参数及功率。泵泵 的的 选选 择择43 5 计算实例计算实例参参 数数 确确 定定 a) 取Q1=0.06m3/s ,查得HA=48m,A=74%。 b) 取H1=20m ,H2=45m ,3个系统的管路性能曲线均过A点 。44 5 计算实例计算实例 由以上参数可确定性能曲线为：由以上参数可确定性能曲线为：45 5 计算实例计算实例 c) c) 确定Q2

25、之后,即可通过计算或查性能曲线确定D、 E、F、G点的工况参数。由于D与A两工况相似,所以可 根据相似律计算D工况的扬程和转速 ,D工况的效率与 A工况相等。G工况的扬程和效率可查性能曲线求得。 E、F工况的扬程由式(8),(9)计算得到; ,以E工况为例,说明如下： 46 5 计算实例计算实例J 根据E工况的流量Q2和扬程HE,可求出过E点的相似抛物线方程为H=( HE/Q22)Q2,即图3中的0-E-P曲线。J 此抛物线与原转速n1所对应的性能曲线的交点P与E为相似工况。J E工况的转速为n3 =(QE/QP)n1。J 在原转速n1所对应的效率曲线上,查出P点的效率P,而E与P为相似工况,

26、效率相等,即E=P。47 表表1 1列出了列出了Q Q2 2 =0.75Q =0.75Q1 1和和Q Q2 2=0.5Q=0.5Q1 1两种情下两种情下,D,E,F,G,D,E,F,G各各工况的参数。工况的参数。 5 计算实例计算实例48 5 计算实例计算实例 取节流调节工况取节流调节工况G G的功率为的功率为100% ,100% ,根据表根据表1 1可可以计算出变速调节工况以计算出变速调节工况D,E,FD,E,F的功率的功率, ,当当Q Q2 2=0.75Q=0.75Q1 1时时, ,依次为依次为49.7% ,66.4% ,88.3%49.7% ,66.4% ,88.3%; ;当当Q Q2 2=0.5Q=0.5Q1 1时时, ,依次为依次为17.1% ,44.5% ,83.4%17.1% ,44.5% ,83.4%。49 5 计算实例计算实例 可见可见 ,无背压系统的节能效益最好无背压系统的节能效益最好 ,随着背压的增大随着背压的增大 ,变速调变速调节的轴功率逐渐趋近于节流调