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1、供水系统变频调速节能改造的可行性研究1 引言风机和水泵在国民经济各部门的数量众多，分布面极广，耗电量巨大。据有关部门统计，全国风机、水泵电动机装机总容量约为35000MW，耗电量约占全国电力消耗总量的40%左右。目前，风机水泵的耗电量中还有很大的节能潜力，其潜力挖掘的焦点是提高风机和水泵的运行效率。据估计，提高风机和水泵系统运行效率的节能潜力可达300500亿kWh/年，相当于610个装机容量为1000MW级的大型火力发电厂的年发电总量。 离心式的风机水泵的负载特性属平方转矩型的负载，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
2、循相似定律；对于同一台风机（或水泵）。当输送流体的密度不变仅转速改变时，其性能参数的变化遵循比例定律：流量与转速的一次方成正比；压头（扬程）与转速的二次方成正比；轴功率则与转速的三次方成正比。如果水泵转速是其额定转速的50%时，则功耗只有额定值的12.5%，节能率可达87.5%。果真如此吗？否。风机水泵比例定律的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，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。其结果的差别还是很大的。作为变频器的生产厂家，特别是专门研究变频控制的专家学者，必须明明白白地
3、告诉用户，风机水泵的变频节能到底是怎么一回事，而不能有意无意地误导读者，片面夸大节能效果。2 风机水泵的相似定律2.1 风机（水泵）的几何相似，运动相似和动力相似两台泵（风机）若几何相似，就是说它们的形状完全相同，只是大小不同，其中一台泵（风机）相当于另一台泵（风机）按一定比例的放大或缩小。举个形象的例子：两张不同比例尺的中国地图，它是几何相似的，但大小相差一定的倍数。应指出的是：本书所说的两泵（风机）几何相似，是指通流部分的几何相似，并不是要求泵（风机）之间的轮廓外形也必须几何相似。两台泵（风机）的运动相似是指两台几何相似泵（风机）通流部分各对应点的速度三角形相似。显然，只有当两台泵（风机）
4、的通流部分几何相似，才有可能运动相似，但满足几何相似条件的，不一定满足运动相似的条件，只有当两台几何相似泵（风机）都在相似工况点运行时（例如：都运行在最高效率工况点时），才是运动相似，所以运动相似又称工况相似。两台风机（水泵）的动力相似则是指作用于两台泵（风机）内各对应点上力的方向相同，大小成比例。作用于泵（风机）内流体的力主要有惯性力、粘性力的总压力。因此，为使泵（风机）中的动力相似，必须对应点上的惯性力与弹性力（或压力与密度）之比相等，惯性力与粘性力之比相等。2.2 离心式风机（水泵）的相似定律叶片式泵与风机的相似定律是两台泵（或风机）在满足几何相似和运动相似的前提下导出的。它给出几何相似
5、的泵（或风机），在相似工况点的流量之间、扬程（或全压）之间、功率之间的相互关系为：即把泵的线性尺寸几何相似地均放大一倍时，对应工况点的流量、扬程、轴功率将各增到原来的8倍、4倍和32倍。例2 某台离心式风机采用变速调节方式，当其转速降低到原来额定转速的一半时，其对应工况点的流量、全压、轴功率各降到原额定转速时的多少倍？（设气体密度不变）解 由比例定律式（7）式（9）得即当风机的转速降低到原额定转速的一半时，对应工况点的流量、全压、轴功率各下降到原来的1/2、1/4和1/8，换句话说，用变速调节方式调节流量可使轴功率值大大下降，这也就是变速调节方式可以大幅度节电的原因。应该指出的是本题中的n/n
6、=21.3，所以计算的结果可能会有一定误差。例3 已知Y4-73No28型锅炉引风机在抽送140oC的烟气时所需的轴功率为636kW，试问若用以输送20oC的空气时所需的轴功率为多少？已知烟气在140oC时的密度为0.85kg/m3，空气在20oC时的密度为1.2kg/m3。解 由相似定律（3-8）得在20oC空气时风机所消耗的轴功率p为：故在考虑引风机电动机的功率时，应注意到引风机在冷态起动时所需的轴功率值。2.3 求出几何相似风机（水泵）之间的相似工况点。相似定律只适用于几何相似泵（风机）对应工况点之间的关系，因此，在应用相似定律之前，需要先找到对应工况点关系。对应工况点又称相似工况点，可
7、以通过下面两种方法求几何相似泵（风机）的相似工况点。（1） 根据相似工况点的效率相等求相似工况点间的关系，相似定律式（4）式（6）是在假设相似工况点各效率对应相等的前提下得出的，这就是说，相似工况点的效率必相等。下面根据这一思路求相似工况点间的关系。两台几何相似泵（风机）的最高效率是相等的，且每台泵（风机）都只有一个最高效率点，所以各几何相似泵（风机）的最高效率点是相似工况点；进一步看，在各几何相似泵（风机）的性能曲线上最高效率点的右侧（大流量侧）也彼此有一个效率相等的工况点，它们也都是相似工况点，同理在最高效率的左侧（小流量侧），又可找到彼此效率相等的相似工况点。（2） 求出各相似工况点的连
8、接曲线相似抛物线。下面以求同一台泵在转速变化时的相似抛物线为例说明，若某泵在额定转速n下某工况点的流量为qv，扬程为H，需要求当转速变化时，与其对应的各相似工况点。设与工况点（qv,H）对应各相似工况点的流量为qv，扬程H，qv与H随着转速的变化而改变。因为相似工况点间都满足相似定律和比例定律，故由式（7）qv/qv=n/n与式（8）H/H=（n/n）2联立求解，消去转速比n/n项得：式（10）即为一条经额定转速n某工况点（qv ,H）的相似抛物线。其上各点为变转速时的各相似工况点。如图1所示，当转速为n1、n2时，对应的相似工况点为（qv1,H1）、（qv2,H2）。图1 过（qv,H）点的
9、相似抛物线.同理，（通）风机变转速时，过（qv,p）点的相似抛物为(11)2.4. 风机（水泵）的转速变化时，风机（水泵）装置的运行参数将如何变化？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qv/qv=n/n,H/H=(n/n)2或p/p=(n/n)2作出，如图2所示。因管路性能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。图2转速变化时风机（水泵）装置运行工况点的变化(a)泵（当管路静扬程Pst0时）； （b）风机（当管路静压Pst=0时）应注意的是：当管路性能曲线的静扬程（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
10、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。但当管路性能曲线的静扬程（或静压）等于零时，即HST=0（或PST=0）时，管路性能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。例4 某锅炉给水泵装置的性能曲线如图3所示，其在额定转速下运行时的运行工况点为M，相应的qv.M=380m3/h。现欲通过变速调节，使新运行工况点M的流量减为190m3/h ，试问其转速应为多少？（额定转速为2950r/min）解 变速调节时管路性能曲线不变，而泵的运行工
11、况点必在管路性能曲线上，故M点可由qv.M/=190m3/h处向上作垂直线与管路性能曲线相交得出（见图3），由图可读出M点的扬程HM/=1670m。M/与M不是相似工况点，需在额定转速时的H-qv 曲线上找出M的相似工况点A，以便求出M的转速。过M/点作相似抛物线，由式（10）得图3某给水泵装置的性能曲线和管路性能曲线为把相似抛物线作到图3-4上，上式（H=0.046q2v）中H与qv的关系列表如下：qv(m3/h) 0 100 200 220 240H(m) 0 460 1840 2226 2650把列表中数值作到图3上，此过M点的相似抛物线与额定转速下H-qv相交于A点。由图可读出 qvA
12、=227m3/h，HA=2360m，故得上述两式得出的结果略有不同是因作图及读数误差引起的。从计算结果知，此泵装置因管路静扬程Hst很高，故当流量减少到原流量的50%时，其转速只降到原转速的2469/2950 =83.7%，而不是50%。泵或风机系统管路性能曲线中静扬程（静压）所占比例的大小，与调速装置节能效果的大小相关。当静扬程所占比例很大时，即使泵系统的工作流量变化很大，但调速装置的转速变化范围并不大，结果变速调节的节能效果也不大。这是因为静扬程（静压）不等于零时，管路性能曲线与变转速时的相似抛物线不重合，故变速前后各工作点间的关系并不符合比例律，即流量比不等于转速比。当静扬程（静压）为正
13、值时，流量比恒大于转速比。例如DG500-180型锅炉给水泵，其最高转速n=2950r/min，相应qv=500m3/h,H=1800m。若泵系统的静扬程Hst=1500m。则变速调节流量至60%最大流量（300m3/h）时，相应转速为最高转速的89%（2625r/min）。可见这比静扬程为零时流量比为60%时，转速比也为60%时要高多了。因此，管路性能曲线的静扬程越高，则变速调节流量时，其轴功率的减少值也越小。如图4所示某离心泵在不同静扬程下采用变速调节及出口阀门调节方式时流量比qv/qvn和所消耗轴功率比P/Pn的关系。所以说，对于有较大静扬程的泵或风机，只用工作流量变化范围大小确定节能效
14、益的大小就不正确了，应根据转速变化范围确定节能效益的大小才是正确的。图4 泵系统在不同静扬程下的轴功率流量特性图中线转速调节； 线出口阀门调节例5 若例4中的锅炉给水泵电动机的额定功率为2300kW，额定转速时的实际出力为2000kW，试估算其节能效果。由图3可以看出，此给水泵的出口压力为25MPa，锅炉气包压力为15MPa，由上例计算结果，当转速下降到2469r/min，即额定转速的83.7%时，流量为190t/h， 即额定流量的50%，压力为16.7MPa，略高于锅炉汽包压力，为了保证汽包顺利进水，转速已不能再下降了。所以其调速范围为83.7%100%，根据式（9）P/P=(n/n)3，其
15、轴功率P=1173kW，最大节能率为41.4%。若给水泵的流量余量以15%计算，当流量为190t/h时，锅炉的负荷约为58.8%左右。作为一般的机组，也已经接近最低不投油稳燃负荷了。正巧，由以上计算数据看出，给水泵的调速能耗率与锅炉的负荷率是基本一致的，也即能耗与流量的一次方成正比。所以，可依据锅炉的负荷率来粗略估算给水泵的调速节能率。电站水泵的静扬程都不等于零，所以其调速范围和节能效果都不能简单地采用比例定律计算，都要先求出相似曲线，然后才能进行计算。除了锅炉给水泵外（汽包压力为其静扬程），对循环水泵则水塔高程为其静扬程，对于凝结水泵，凝结水出口母管压力为其静扬程。因为凝结水泵除了调节凝汽器热井水位恒定外，还要保证凝结水出口母管压力足够大（一般0.75MPa），以防止空气由排水阀经凝结水再循环管进入凝汽器中，而破坏汽轮机真空。电站风机，则由于其静压很小，所以可以直接用比例定律估算其调速范围和节能效益，只是要求以输出风压作为调速范围的校验指标。3 风机水泵的并联运行泵或风机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5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，从图可见，当管路性能曲线方程为Hc=
