供水系统中调速水泵有关问题的探讨

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1、供水系统中调速水泵有关问题的探讨1、前言水泵调速技术已经存在多年，早期主要是一些低压水泵采用低压变频器进 行调速，因为成本不高，所以采用比较普遍。而对于高压水泵的调速，早期还 大多是采用液力偶合器、串级调速等传统方法来实现。随着高压大功率变频器 的出现，目前采用高压变频器对高压水泵进行调速逐渐成为一种趋势。由于高 压变频器目前成本相对较高，许多供水行业的人士出于投资回收考虑，对水泵 调速这项技术本身及其可以取得的效益都比较关心，经常有如下一些疑惑： 供水系统一般多台水泵并联运行，设计原则是同压头水泵并联，同流量水 泵串联。而调速泵速度降低后，按一般常理认为，其输出水压将降低，那 么调速泵如何再

2、与其他工频泵并联，是否有内耗存在？ 常说水泵流量和转速成正比，压力和转速平方成正比，其功率则和转速立 方成正比，也就是说水泵的功耗是按流量的立方关系变化的，假设水泵流 量调到一半时，水泵的轴功率只有满流量时的 12.5%，省电应达到 87.5%， 可为什么实际系统的节能效果远不是这样？到底怎样预估一个水泵调速系 统的节能潜力？ 调速水泵和工频水泵并联运行时，调速水泵能否无限制往下调速？调速泵 是不是转速到 0 时流量才为 0？并联工频水泵会不会过流？调速泵会不会水 流倒惯？调速时应注意什么问题？ 水泵调速方法有哪些？究竟什么方式比较可取？对水泵进行调速改造，除 了节能，到底还能有什么其他效益？

3、本文将从水泵的工作特性出发，解释和回答这些问题，不对之处，欢迎专 家指正。2、水泵的工作特性H(m)Q(m /h) Q2Q13Q: 流量H: 水压AH2 BH1图（1） 水泵定速工作时，工作特性如图（1）所示。曲线为水泵按转速 N1定速工作时的 Q-H 曲线，曲线为管路特性曲线。 在第一种负载工况下，水泵工作在 A 点，流量为 Q1，压力为 H1。当流量 减为 Q2 时，水压将上升到 H2，水泵工作在 B 点。水压的上升，一方面存在不 必要的电耗，另一方面也可能威胁到供水管网的安全。 从水泵定速工作特性曲线看出，尽管水泵工作转速不变，但只要管网特性 发生变化（曲线变为曲线） ，那么水泵的工作点

4、是发生变化的，其流量和压 力也随之变化。换言之，水泵的输出压力并不只是转速的单值函数。在自来水行业，流量的减少是因为夜间用户关阀，管网特性曲线发生了变 化，曲线变为曲线，流量由 Q1 降为 Q2。为了防止管网水压的上升威胁到 管网安全，可以调节水泵出口阀门或者改开小泵。 在一些化工生产、制冷等行业，流量的减少是因为生产工艺的需要，这时 可以调节水泵输出阀门，人为改变管网特性，使水泵工作点由 A 点变到 B 点， 从而达到主动调节流量的目的。H: 水压Q: 流量N2Q2Q1H1H2H(m)ABN1Q(m /h)3CN3图（2） 图（2）示出了水泵调速运行时，水泵工作特性的变化情况，曲线分 别为水

5、泵按 N1 、N3和 N2三种速度运行时的特性曲线，曲线为管网特性曲 线。如果管网特性不变，保持为曲线，水泵由 N1转速调节到 N2速运行时， 水泵的工作点将由 A 点变到 B 点，流量和水压分别变到 Q2 和 H2，它们都随着 转速的下降而下降。负载特性不变时，水泵的流量 Q、水压 H、轴功率 P 和转 速 N 之间满足如下关系：QN，HN2,PN3。但如果是外界因素导致管网特性发生变化（由曲线变为曲线） ，使得流 量减少为 Q2，但又要维持水压不变，这时水泵可以将速度调节到 N3 运行，从 工作曲线中可以看出，水泵的转速和输出流量下降，但水泵的输出压力却保持 不变，这就是为什么流量变化时，

6、可以通过调节水泵转速实现恒压供水的理论 依据。这种情况下，由于管网特性的改变，水泵的流量 Q、水压 H、轴功率 P和转速 N 之间不再满足QN、HN2、PN3的关系，并不是转速下降其水压就下降，水泵速度下降且其分担的流量下降后，只要其输出水压不变，就可以和其他高速水泵并联运行。3、水泵调速运行的轴功率31管路特性不变管路特性不变时，水压随流量的变化而变化，调速时只对流量作要求，对 水压不作要求，这时水泵的工作情况如图（3）所示：Q2Q1H1H2H(m)ABQ(m /h)3N2N1Q: 流量H: 水压图（3） 从图可见，需要流量下降时，将水泵速度由 N1下调为 N2,则水泵工作点由 A 点变为

7、B 点，流量由 Q1变为 Q2，压力由 H1变为 H2，水泵在 A、B 两个工作 点的输出功率 PA和 PB分别为: PA=H1Q1, PB=H2Q2 32)(,)(, 2121212121 NN PP NN HH NN QQBA从上式看出，如果转速降为 50%，则水泵输出功率下降为 12.5；如果在 A、B 两点水泵的效率差别不大，则水泵的输入功率也大大下降。32调速时要求水压恒定H1=H2N2Q2Q1BN1AH(m)Q(m /h)3H: 水压Q: 流量图（4） 在图（4）这种工况下，水泵速度由 N1调到 N2,工作点由 A 点变到 B 点， 流量由 Q1变到 Q2，水压保持不变，H1H2。

8、水泵在 A、B 两点的输出功率 PAH1Q1，PBH2Q2。=PAPBH1 Q1H2 Q2Q1 Q2这种情况下，水泵输出功率和流量成正比。 （注意：水泵输出功率不和转速 成正比，因为管路特性已变化，Q1不正比于 N1，Q2不正比于 N2。 ）这种工况下 类似自来水行业。用户用水量由 Q1下降为 Q2（用水量下降是用户关阀引起的 管路特性发生变化，由特性曲线（1）变为曲线（2） 。 ） ，但仍需水压保持恒定。4、水泵调速运行的节能效益41管路特性不变AQ2Q1BC H1H2H3N2N1Q(m /h)3Q: 流量H: 水压H(m)图（5） 外部管路特性不变。如果通过水泵调速方式改变流量，按工作点由

9、 A 点降 到 B 点；如果水泵定速运行，通过阀门改变流量，则水泵从 A 点变为 C 点。水 泵在 B、C 两工作点的输出功率和输出功率差分别为：PC=H3Q2, PB =H2Q2； 假设水泵在 B、C 两点效率差别不大，都约为 ，则调速方式相对于关阀方式，节能效益 P。(H3H2) Q242管路特性变化而调速时要求水压恒定H: 水压Q: 流量N2Q2Q1H1=H2H3H(m)ABN1CQ(m /h)3图（6）流量由 Q1变为 Q2时，如果水泵定速运行，工作点将由 A 变为 C 点；如果 通过调速方式，水泵工作点将由 A 变为 B 点。水泵在 B、C 两点的输出功率差 为： PCPB（H3H2

10、）Q2。假设水泵在 B、C 两个工作点的效率差别不 大，都为 ，则水泵输入功率差P。(H3H2) Q25、水泵调速运行节能效益计算实例水泵调速节能效益与水泵的特性、运行方式、电费水平等多种因素有关， 由于这些因素在不同场合下千差万别，计算节能效益时对工况作如下假设： 水泵功率为 1000KW，年运行时间 8000 小时，其中 1600 小时（即 20%时 间）为 100%流量，4000 小时（即 50%时间）为 70%流量，2400 小时（即 30% 时间）为 50%流量，调速装置效率为 96%，假设水泵流量 Q 和压力 H 在采用 阀门调节流量时近似满足如下关系：H=A-(A-1)Q2，其中

11、 A 为水泵出口封闭时 的出口压力，假设为 140%，假设电费为 1 元/度。51 采用阀门调节时电耗计算采用阀门调节流量时，功耗等于流量 Q 和压力 H 的乘积。各种流量的功 耗计算如下： P100%=1000KWP70%=10000.7（1.4-0.40.70.7）=842.8KWP50%=10000.5（1.4-0.40.50.5）=650KW电费计算如下：10001600+842.84000+6502400=6531200 度，一年 电费约 653 万元。52 采用调速且要求水压恒定时电耗计算采用调速水泵调节流量时，如果需要压力恒定，则功耗仍然按流量 Q 和压 力 H 的乘积计算。各种

12、流量的功耗计算如下（其中 0.96 为调速装置效率）： P100%=1000/0.96=1041KWP70%=10000.71/0.96=729KWP50%=10000.51/0.96=521KW电费计算如下：10411600+7294000+5212400=5830000 度，一年耗 电费约 583 万元。 流量变化时，如果要求压力不变，相对于用阀门调节流量，采用变频器调 节流量后，一年可以节省电费约 653-583=90 万元，节电量约为 13.8%。53 采用调速且管路特性不变时的电耗计算采用调速水泵调节流量时，如果没有压力要求，即假定外部管阻特性不变， 则功耗正比于流量的立方。各种流量

13、的功耗计算如下（其中 0.96 为变频器效率） ： P100%=1000KWP70%=10000.73/0.96=357.3KWP50%=10000.53/0.96=130.2KW电费计算如下：10001600+357.34000+130.22400=3341680 度，一 年耗电费约 334.1 万元。 流量变化时，如果外部管阻特性不变（即流量小时，压力也小，调速时对 压力不作要求） ，相对于用阀门调节流量，采用变频器调节流量后，一年可以节 省电费约 653-334=319 万元，节电量达到 48.8%。从计算中可以看出，如果水泵依据流量需求而调速，对水压不作要求的工 况，其节能效果大大好于

14、要求水压恒定的工况。仿照以上计算方法，用户可以 根据自己实际的水泵容量、供水工况及电费水平，直接预估出调速后的节能效 益。6、调速泵和工频水泵的并联运行61 多泵并联时，调速泵实现流量调节的图示水泵不管全速运行或调速运行，总满足以下的特性关系：图（7）图（7）中绘出水泵分别以不同速度 (n1n2n3n4)运行的 H_Q 特性曲线， 纵坐标 H 表示水泵出口水压，横坐标 Q 代表水泵流量。从 H_Q 曲线看出： 水泵定速运行时，如果其流量减小，水泵出口水压将增大。如 A、B 两点， 水泵以恒定速度 n1 运行，当该泵流量由 Q2 下降到 Q1 时，该水泵出口水 压将由 H2 上升到 H1。 如果

15、水泵的流量相同，水泵高速运行时的出口水压高于低速运行时出口水 压。如 A、D 两点。 水泵降速运行时，如果其流量比高速运行时减小，则可以和高速运行时有 相同的出口水压值。如 B、C 两点。 两台一样的水泵，分别以不同速度运行，如果各自流量不同，仍可以有相同 的出口水压值，可以直接并联运行。假如当前管网总流量为 Q2+Q3，管网水压为 H2，由两台水泵并联供水(多 台并联时很容易类推)。定速泵以 n1 速度运行，达到出口压力 H2 时提供的流量 为 Q2，运行于 B 点。调速泵以 n2 速度运行，达到出口压力 H2 时提供的流量 为 Q3，系统达到平衡。 如果由于工况变化，管网总流量变为 Q2+

16、Q4，仍要保持管网水压为 H2，由 两台水泵并联供水(多台并联时很容易类推)。定速泵还以 n1 速度运行，达到出 口压力 H2 时提供的流量为 Q2，运行于 B 点。而调速泵降速到 n3 速度运行， 达到出口压力 H2 时提供的流量为 Q4，运行于 E 点。系统达到新的平衡。 在以上两种工况中，两台水泵的出口压力也完全一致，直接并联运行，不 会有所谓的内耗存在。62 全速泵和调速泵直接并联运行需要注意的几个问题全速泵和调速泵的配置方案从前面的分析很容易知道，需要多台水泵并联供水时，如果调速泵的容量 能够满足最大的峰谷调节能力，则只要配置一台调速泵即可，多台水泵同时调 速不仅浪费投资，理论上也是没有必要的。当然，如果单台调速泵的容量无法 满足最大的峰谷调节需要，配置多台调速水泵，在流量大幅度变化时，不存在 定速泵的再投入和再切除问题，控制和操作简单，水压控制平稳。