風(fēng)機(jī)水泵壓縮機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)講座(六)第二講 水泵的并聯(lián)運(yùn)行分析

1、風(fēng)機(jī)水泵壓縮機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)講座（六）/第二講 水泵的并聯(lián)運(yùn)行分析（2）作 者：國家電力公司熱工研究院自動(dòng)化所 徐甫榮2.1 水泵并聯(lián)運(yùn)行的一般情況水泵并聯(lián)運(yùn)行的主要目的是增大所輸送的流量。但流量增加的幅度大小與管路性能曲線的特性及并聯(lián)臺(tái)數(shù)有關(guān)。圖2-4所示為兩臺(tái)及三臺(tái)性能相同的20sh-13型離心泵并聯(lián)時(shí)，在不同陡度管路性能曲線下流量增加幅度的情況，從圖5可見，當(dāng)管路性能曲線方程為hc=20+10q2時(shí)(q的單位為m3/s)，從圖中查得：一臺(tái)泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)：q1=730l/s (100%)兩臺(tái)泵關(guān)聯(lián)運(yùn)行時(shí)：q2=1160l/s (159%)三臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)：q3=1360l/s (186%)

2、但當(dāng)管路性能曲線方程為hc=20+100q2時(shí)(q的單位為m3/s)，從圖2-4可查出：一臺(tái)泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)：q1=450l/s (100%)二臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)：q2=520l/s (116%)三臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)：q3=540l/s (120%)圖2-4 不同陡度管路性能曲線對(duì)泵并聯(lián)效果的影響比較兩組數(shù)據(jù)可以看出：管路性能曲線越陡，并聯(lián)的臺(tái)數(shù)越多，流量增加的幅度就越小。因此，并聯(lián)運(yùn)行方式適用于管路性能曲線不十分陡的場(chǎng)合，且并聯(lián)的臺(tái)數(shù)不宜過多。若實(shí)際并聯(lián)管路性能曲線很陡時(shí)，則應(yīng)采取措施，如增大管徑、減少局部阻力等，使管路性能曲線變得平坦些，以獲得好的并聯(lián)效果。一般的供水系統(tǒng)都采用多臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行的方式，并

3、且采用大小泵搭配使用，目的是為了靈活的根據(jù)流量決定開泵的臺(tái)數(shù)，降低供水的能耗。供水高峰時(shí)，幾臺(tái)大泵同時(shí)運(yùn)行，以保證供水流量；當(dāng)供水負(fù)荷減小時(shí)，采用大小泵搭配使用，合理控制流量，晚上或用水低谷時(shí)，開一臺(tái)小泵維持供水壓力。多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的水泵，一般采用關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程(或最大揚(yáng)程)相同，而流量不同的水泵。這些泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)泵的出口壓力即為母管壓力，且一定大于每一臺(tái)泵單泵運(yùn)時(shí)的出口壓力(或揚(yáng)程)：(管道系統(tǒng)不變)hn=ha2=hb2=hc2ha1、hb1、hc1并聯(lián)運(yùn)行泵的總出口流量為每臺(tái)泵出口流量之和，且每臺(tái)泵的流量一定小于該泵單泵運(yùn)行時(shí)的流量：(管道系統(tǒng)不變)qn=qa2qb2qc2qa1qb1qc

4、1若并聯(lián)運(yùn)行的泵的揚(yáng)程不同，而且流量也不同時(shí)，則在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)揚(yáng)程低的泵的供水流量會(huì)比單泵運(yùn)行時(shí)減小很多。當(dāng)管網(wǎng)阻力曲線變化時(shí)，容易發(fā)生不出水和汽蝕現(xiàn)象。母管制運(yùn)行的水泵群的母管壓力可由下式求出：圖2-5 兩泵并聯(lián)及并聯(lián)性能曲線(h-qv)并2.2如何作出并聯(lián)運(yùn)行水泵的性能曲線(h-qv)或(p-qv)兩臺(tái)或兩臺(tái)以上風(fēng)機(jī)(水泵)向同一壓出管路壓送流體的運(yùn)行方式稱為并聯(lián)運(yùn)行，如圖2-5(a)所示。水泵并聯(lián)運(yùn)行的基本規(guī)律是：并聯(lián)后的總流量應(yīng)等于并聯(lián)各泵流量之和；并聯(lián)后產(chǎn)生的揚(yáng)程與各泵產(chǎn)生的揚(yáng)程都相等(母管壓力)。因此，水泵并聯(lián)合成后的性能曲線(h-qv)并或(p-qv)并的作法是：把并聯(lián)各泵(或風(fēng)機(jī)

5、)的(h-qv)或(p-qv)曲線上同一揚(yáng)程(或全壓)點(diǎn)上流量值相加，以圖2-5(a)兩臺(tái)泵并聯(lián)為例，先把這兩臺(tái)泵的性能曲線(h-qv)i和(h-qv)a以相同的比例尺繪在同一坐標(biāo)圖上，然后把各個(gè)同一揚(yáng)程值的流量分別相加，如圖2-5(b)所示，取揚(yáng)程值為h、h、h、，對(duì)應(yīng)于(h-qv)i和(h-qv)a，上分別為1、1、1和2、2、2取qv1+ qv2、qv1+ qv2、qv1+ qv2得3、3、3連接3、3、3各點(diǎn)即得合成后泵并聯(lián)性能曲線(h-q)并，同法可得風(fēng)機(jī)并聯(lián)性能曲線。2.3當(dāng)并聯(lián)水泵中的一臺(tái)進(jìn)行變速調(diào)節(jié)時(shí)，如何確定并聯(lián)運(yùn)行工況點(diǎn)如圖2-6 所示，i、ii兩臺(tái)性能相同的泵并聯(lián)運(yùn)行。但

6、泵i與泵ii有一臺(tái)為變速泵，另一臺(tái)為定速泵。當(dāng)變速泵與定速泵以相同的額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，i和ii的并聯(lián)性能曲線(h-q)并為iii，并聯(lián)運(yùn)行工況點(diǎn)為m。但當(dāng)變速泵的轉(zhuǎn)速降低時(shí)，并聯(lián)性能曲線變?yōu)槿鐖D2-6中的虛線所示，其并聯(lián)運(yùn)行工況點(diǎn)也相應(yīng)地變?yōu)閙、m、從圖2-6 可以看出，當(dāng)變速泵的轉(zhuǎn)速降低時(shí)，變速泵的流量減小，但定速泵的流量卻增大。當(dāng)變速泵的轉(zhuǎn)速降低到某一轉(zhuǎn)速值時(shí)，其輸出流量為零，這時(shí)并聯(lián)運(yùn)行實(shí)際上相當(dāng)于一臺(tái)定速泵單獨(dú)運(yùn)行。若變速泵轉(zhuǎn)速進(jìn)一步降低，且變速泵出口管路又未設(shè)置逆止閥時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)定速泵部分流量向變速泵倒灌，這種現(xiàn)象在實(shí)際上是不容許產(chǎn)生的。從圖2-6可見，當(dāng)變速泵的轉(zhuǎn)速由額定轉(zhuǎn)速降低到該

7、泵輸出流量為零的轉(zhuǎn)速時(shí)，定速泵的流量將由qn增大到qb，而揚(yáng)程將由hn減小到hb，這可能會(huì)導(dǎo)致定速泵產(chǎn)生過載或泵內(nèi)汽蝕。為防止定速泵的過載和汽蝕，可在定速泵出口管路設(shè)置調(diào)節(jié)閥，必要時(shí)控制其流量。如圖2-6所示，當(dāng)靜揚(yáng)程約為額定揚(yáng)程的20%左右時(shí)，qb約為額定流量的70%，hb約為額定揚(yáng)程的60%，工頻泵超載約20%；此時(shí)變頻泵的轉(zhuǎn)速約為額定轉(zhuǎn)速的78%(頻率為39hz)左右，則其中心調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速(50%流量)約為額定轉(zhuǎn)速的86%(頻率為43hz)，節(jié)電率大約為25%左右。圖2-6 兩泵并聯(lián)其中一臺(tái)轉(zhuǎn)速降低時(shí)并聯(lián)運(yùn)行工況點(diǎn)的變化變速泵在b點(diǎn)運(yùn)行，雖然已經(jīng)不出水了，但是還要消耗空載功率，很不經(jīng)濟(jì)；此時(shí)

8、的轉(zhuǎn)速nb只是最低轉(zhuǎn)速，不能在節(jié)能計(jì)算時(shí)作為調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使用，而應(yīng)以不同流量時(shí)的轉(zhuǎn)速為依據(jù)，或者以中心調(diào)節(jié)頻率(50%流量時(shí)的轉(zhuǎn)速)為依據(jù)，注意：由于水泵系統(tǒng)靜揚(yáng)程的存在，中心調(diào)節(jié)頻率(轉(zhuǎn)速)不是最低轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的平均值，而應(yīng)取50%流量時(shí)的頻率(轉(zhuǎn)速)。如圖2-7所示，當(dāng)靜揚(yáng)程約為額定揚(yáng)程的20%左右時(shí)，qb約為額定流量的70%，hb約為額定揚(yáng)程的60%，；此時(shí)變頻泵的最低轉(zhuǎn)速約為額定轉(zhuǎn)速的78%(頻率為39hz)左右，而其中心調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速(50%流量)約為額定轉(zhuǎn)速的86%(頻率為43hz)。圖2-7 多泵并聯(lián)其中一臺(tái)轉(zhuǎn)速降低時(shí)并聯(lián)運(yùn)行工況點(diǎn)的變化當(dāng)定速泵的數(shù)量增加，b點(diǎn)的揚(yáng)程hb將升高，最低轉(zhuǎn)速

9、nb也將升高，變速泵的調(diào)速范圍變小，調(diào)節(jié)效果及節(jié)能效果變差。一般定速泵與變速泵的比例達(dá)到3：1時(shí)，采用變速泵已無多大意義了，而此時(shí)往往還有一臺(tái)泵是采用起/停調(diào)節(jié)的，此時(shí)采用變速泵就更無什么意義了！見圖2-7。圖2-8 變頻泵與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行特性曲線如圖2-7所示，當(dāng)靜揚(yáng)程約為額定揚(yáng)程的20%左右時(shí)，qm約為額定流量的85%，hm約為額定揚(yáng)程的80%，工頻泵超載約20%；此時(shí)變頻泵的轉(zhuǎn)速約為額定轉(zhuǎn)速的89%(頻率為44.5hz)左右，則其中心調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速約為額定轉(zhuǎn)速的93.6%(頻率為46.8hz)，節(jié)電率大約為10%左右，也就是所需消耗的電功率為采用閥門調(diào)節(jié)時(shí)的90%。若第三臺(tái)泵是采用起/停調(diào)節(jié)，

10、起/停比為3/2的話，則反而費(fèi)電30%！所以在有三臺(tái)以上泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，只改一臺(tái)變頻泵是沒有什么意義的！圖2-9 變頻泵在50hz時(shí)與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行特性曲線2.4靜揚(yáng)程(或靜壓)對(duì)調(diào)速范圍的影響供水系統(tǒng)的靜揚(yáng)程hst，即供水母管的最小壓力，(水泵在靜揚(yáng)程下消耗的功率稱為空載功率：在流量為零時(shí)，水泵所消耗的最大功率)。十分明顯的是，靜揚(yáng)程越高，空載功率所占的比例越大，調(diào)速范圍越小，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的節(jié)能效果就越差。靜揚(yáng)程可由水泵進(jìn)水口和出水口的落差形成，也可由管網(wǎng)阻力曲線形成，也可由用戶要求的供水壓力來決定。(如鍋爐給水泵，必須大于汽包壓力才能進(jìn)水。)當(dāng)然也可由變/定水泵并列運(yùn)行的定速水泵的出口壓力造成！

11、2.5變頻泵與工頻泵的并聯(lián)運(yùn)行分析變頻泵與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)總的性能曲線，與關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程(最大揚(yáng)程)不同，流量也不同的水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的情況非常類似，可以用相同的方法來分析(見圖2-8,2-9)(1)f1為工頻泵的性能曲線，也是變頻泵在50hz下滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的性能曲線(假定變頻泵與工頻泵性能相同)，工頻泵單泵運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)a1。(2)f2為變頻泵在頻率f2時(shí)的性能曲線，變頻泵在頻率f2單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)b1。(3)f3為變頻和工頻水泵并聯(lián)運(yùn)行的總的性能曲線，工作點(diǎn)c，揚(yáng)程hc，流量qc=qa2qb2。圖2-10 變頻泵在最低頻率下(f=fmin)與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行特性曲線 變頻泵與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的特

12、點(diǎn)(1)f2不僅僅是一條曲線，而是f1性能曲線下方偏左的一系列曲線族。f3也不僅僅是一條曲線，而是在f1性能曲線右方偏上的一系列曲線族。(2)f2變化時(shí)，f3也隨著變化。工作點(diǎn)c也跟著變化。因此變頻泵的揚(yáng)程hb2，流量qb2，工頻泵揚(yáng)程ha2，流量qa2，以及總的揚(yáng)程hc= hb2= ha2，和總流量qc=qa2qb2都會(huì)隨著頻率f2的變化而變化。(3)隨著變頻泵頻率f2的降低，變頻泵的揚(yáng)程逐漸降低。變頻泵流量qb2快速減少；工作點(diǎn)c的揚(yáng)程也隨著降低，使總的流量qc減少；因此工頻泵的揚(yáng)程也降低，使工頻泵流量qa2反而略有增加，此時(shí)要警惕工頻泵過載。2.5.3變頻泵與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行特例之一，頻率

13、f= f1=50hz (1)f1為工頻泵的性能曲線，也是變頻泵f2= f1=50hz下滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的性能曲線(假定變頻泵與工頻泵性能相同)，工頻泵和變頻泵單泵運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)a1。(2)f3為變頻泵和工頻泵并聯(lián)運(yùn)行的總的性能曲線，工作點(diǎn)c，揚(yáng)程hc= hb2= ha2等于每臺(tái)泵的揚(yáng)程，每臺(tái)泵的流量qa2=qb2，總流量qc=qa2qb2=2qa2。即當(dāng)f2= f1=50hz時(shí)，變頻泵與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的特性，與兩臺(tái)性能相同的泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)完全一樣。2.5.4變頻泵與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行特例之二，f2=fmin 在圖2-10中：(1)f1為工頻泵的性能曲線，工頻泵單泵運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)a1。(2)f2=fmi

14、n為變頻泵最低頻率下單泵運(yùn)行時(shí)的性能曲線。(3)f3為變頻和工頻泵并聯(lián)運(yùn)行的總的性能曲線，工作點(diǎn)c不與f3相交，只與f1相交，揚(yáng)程hc=ha1= ha2= hb2等于每臺(tái)泵的揚(yáng)程，工頻泵的流量qa2=qa1，總流量qc=qa2=qa1，qb2=0。圖2-11 沒有管網(wǎng)阻力時(shí)變頻泵與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行特性曲線即當(dāng)f2=fmin時(shí)，變頻泵的揚(yáng)程不能超過工頻泵的揚(yáng)程，因此變頻泵的流量為零。變頻泵與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)總的性能曲線，與單臺(tái)工頻泵運(yùn)行時(shí)的性能曲線相同，變頻泵雖然沒有流量輸出，但仍然要消耗一定的功率。(4)在此運(yùn)行狀況中，變頻泵的效率降到最低，因此變頻泵最好不要工作在這種工況中。(5)在這種特例中

15、，變頻泵極易產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，易造成泵的損壞，解決的辦法是將再循環(huán)閥打開，使泵保持一定的最小流量，但這樣做會(huì)使泵的能耗增加。水泵變頻不論是單泵運(yùn)行還是并聯(lián)運(yùn)行都有一個(gè)極端理想的特例，就是只有靜揚(yáng)程，沒有管網(wǎng)阻力，或者管網(wǎng)阻力與凈揚(yáng)程相比可以忽略，則管網(wǎng)阻力曲線可以看成是一條與凈揚(yáng)程點(diǎn)平行的一條直線。水泵將水通過粗管道垂直向上打入一個(gè)開口的蓄水池就是屬于這種情況。電廠鍋爐給水泵系統(tǒng)中，由于給水壓力極高，管網(wǎng)阻力相對(duì)較小，因此采用變頻運(yùn)行時(shí)也可以看成屬于這種情況。(見圖2-11)f1為變頻器最高運(yùn)行頻率性能曲線。工作點(diǎn)a， f2和f3為變頻運(yùn)行性能曲線。h0為靜揚(yáng)程，也是實(shí)際工作揚(yáng)程。圖2-11中不論

16、怎樣調(diào)節(jié)頻率，揚(yáng)程都恒定不變，只是流量變化。水泵的輸出功率只隨流量的變化而變化。從圖2-11中可以看出，隨著頻率的減少，微小的頻率變化f會(huì)引起很能大的流量變化q。性能曲線越平坦，f引起的q就越大。因此頻率越低，流量越小時(shí)這種變化就越大。所以說頻率與流量之間的關(guān)系為qa/(f1fmin)。是一種非線性的很難說是幾次方的關(guān)系。由于功率與流量成正比。功率與頻率的關(guān)系為h0qa/(f1fmin)，也很難說與頻率是幾次方的關(guān)系。在這種情況下進(jìn)行變頻運(yùn)行時(shí)，流量不宜太小，以防止微小的頻率或轉(zhuǎn)速的變化引起流量較大的變化，造成水泵流量不穩(wěn)定(水擊)而損壞水管。fmin越高，f1fmin(調(diào)速范圍)就越小，流量

17、和功率隨著頻率的變化就越大。2.6高性能離心水泵群的變頻控制方案恒壓供水的控制特點(diǎn)供水控制，歸根結(jié)底，是為了滿足用戶對(duì)流量的需求。所以，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對(duì)象，但流量的檢測(cè)比較困難，費(fèi)用也較高?？紤]到在動(dòng)態(tài)供水情況下，供水管道中水的壓力p的大小與供水能力和用水需求之間的平衡情況有關(guān)：當(dāng)供水能力大于用水量時(shí)，管道壓力上升；當(dāng)供水能力小于用水量時(shí)，則管道壓力下降；當(dāng)供水能力等于用水量時(shí)，則管道壓力保持不變?？梢?，供水能力與用水需求之間的矛盾具體地反映在供水壓力的變化上。從而壓力就成了用來作為控制流量大小的參變量，也就是說，保持供水系統(tǒng)中某處壓力的恒定，也就保證了使供水能力和用水需求處于平衡狀

18、態(tài)，恰到好處地滿足了用戶的用水要求，這就是恒壓供水所要達(dá)到的目的。目前一般的供水系統(tǒng)，也都采用了多泵并列運(yùn)行，大小泵搭配，以及采用泵的臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)等經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性也很好；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造，其節(jié)能潛力已不是很大了，對(duì)于這一點(diǎn)應(yīng)當(dāng)有一個(gè)清醒的認(rèn)識(shí)，不要過分夸大變頻調(diào)速的節(jié)能效果，否則將適得其反！2.6.2高性能離心泵的變頻控制方案。高性能離心式水泵由于采用了三元流動(dòng)，進(jìn)口導(dǎo)葉等先進(jìn)技術(shù)，離心式水泵的特性曲線已經(jīng)做得非常平坦，高效率的工作區(qū)域很寬，這也正是水泵生產(chǎn)廠家努力追求的目標(biāo)。但是這樣的水泵在定壓供水工況下，其調(diào)速的范圍很小。供水系統(tǒng)的靜揚(yáng)程越大，也就是空載功率所占的比

19、例越大，水泵特性越平坦，調(diào)速范圍就越小，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的節(jié)能效果也就越差。對(duì)于定壓供水系統(tǒng)的高效離心水泵群如果采用“一變多定”配置的控制方案，則會(huì)引起一些問題。圖2-11是定壓供水系統(tǒng)中變頻水泵的調(diào)速特性曲線圖，從圖中容量看出，在定壓供水系統(tǒng)中，變頻水泵新的工況點(diǎn)也就是變頻泵特性曲線和等壓線的交點(diǎn)。因水泵的特性曲線非常平坦，變頻器的調(diào)速范圍非常小。且因?yàn)楣┧畨毫π〉牟▌?dòng)(這在供水系統(tǒng)中是很常見的)。新的工況點(diǎn)會(huì)發(fā)生劇烈變動(dòng)，工況點(diǎn)極不穩(wěn)定，雖然在控制程序中可以采用軟件濾波的方法改善不穩(wěn)定的情況，但變、定速水泵配置方案運(yùn)行匹配較為困難，且節(jié)能效果有限卻是肯定的，這也是和采用變頻節(jié)能控制的初衷相違背的。因此對(duì)于實(shí)際工程中的高性能離心泵機(jī)群，所有的運(yùn)行泵都采用變頻調(diào)速控制才是最合理的。如果出于經(jīng)濟(jì)原因的考慮，調(diào)速泵的臺(tái)數(shù)應(yīng)是最常開泵的臺(tái)數(shù)，其它泵則采用工頻備用。如果還要減少調(diào)速泵的臺(tái)數(shù)的話，則一定要使揚(yáng)程最高、流量最大的泵調(diào)速運(yùn)行。2.6.3變、定水泵并列運(yùn)行在實(shí)際工