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1、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
2、. 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
3、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
4、。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
5、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1000 kg/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
6、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
7、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，
8、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），当输送的流体密度不变仅转速改变时，其性能参数的变化
9、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7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Hst0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
10、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Hst0（或Pst0）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
11、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。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8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
12、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
13、，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=HC2HA1、HB1、HC1并联运行泵
14、的总出口流量为每台泵出口流量之和，且每台泵的流量一定小于该泵单泵运行时的流量：（管道系统不变）QN=QA2QB2QC2QA1QB1QC1若并联运行的泵的扬程不同，而且流量也不同时，则在并联运行时扬程低的泵的供水流量会比单泵运行时减小很多。当管网阻力曲线变化时，容易发生不出水和汽蚀现象。母管制运行的水泵群的母管压力可由下式求出： H1Q1 + H2Q2+ H3Q3+.+ HiQiH = - Q1+Q2+Q3+.+Qi2.2. 如何作出并联运行水泵的性能曲线（H-qv）或（P-qv）两台或两台以上风机（水泵）向同一压出管路压送流体的运行方式称为并联运行，如图9（a）所示。图9 两泵并联及并联性能曲线(H-qv)并（a）两台泵并联示意图；（b）并联性能曲线作法。水泵并联运行的基本规律是：并联后的总流量应等于并联各泵流量之和；并联后产生的扬程与各泵产生的扬程都相等（母管压力）。因此，水泵并联合成后的性能曲线(H-qv)并或(P-qv)并的作法是：把并联各泵（或风机）的（H-qv）或（p-qv）曲线上同一扬程（或全压）点上流量值相加，以图10两台泵并联为例，先把这两台泵的性能曲线（H-qv）i和(H-qv)a以相同的比例尺绘在同一坐标图上，然后把各个同一扬程值的流量分别相加，如图9所示，取扬程值为H、H、H、，对应于（H-qv）
