水泵在變頻調(diào)速中的幾個技術(shù)問題

供熱技術(shù)系列講座之五:水泵在變頻調(diào)速中的幾個技術(shù)問題主講：清華大學(xué)教授石兆玉4.5水泵在變頻調(diào)速中的幾個技術(shù)問題水泵的變頻調(diào)速，在空調(diào)、供熱系統(tǒng)中已廣泛應(yīng)用，特別是在多泵系統(tǒng)（多熱源聯(lián)網(wǎng)，分布式輸配系統(tǒng)）中，變頻調(diào)速已成為工藝創(chuàng)新的必不可少的重要技術(shù)平臺。但在變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用中，目前，業(yè)內(nèi)人員一直存在著不同的爭論：一種意見，認(rèn)為變頻幅度不宜過大，否則效率降低，影響節(jié)能；還有的認(rèn)為并聯(lián)水泵，宜同步變頻調(diào)節(jié)，不宜工頻、變頻混合調(diào)節(jié)；另外，在變頻調(diào)速過程中，如何應(yīng)對特殊工況的出現(xiàn)？所有這些實(shí)際問題的合理解決，對變頻調(diào)節(jié)技術(shù)在多泵系統(tǒng)中的應(yīng)用都有重要意義。本文就上述爭論，闡述一些個人的看法，以期引起更深入的討論。4.5.1效率分析研究水泵變頻調(diào)速的節(jié)能效益，除了研究系統(tǒng)功率變化機(jī)與水泵）的效率，只有這樣，才能作出正確的判斷。水泵的變頻調(diào)速，是通過與水泵連接的電動機(jī)進(jìn)行電源頻率的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的，若電機(jī)（水泵）的轉(zhuǎn)速為n，電機(jī)的電源頻率為f，則有以下的關(guān)系式：電動機(jī)的變頻調(diào)速就是根據(jù)上述的公式（4.2）的基本原理實(shí)現(xiàn)的。因頻率f與轉(zhuǎn)速n成正比關(guān)系，因此，只要電源輸入頻率發(fā)生變化，電機(jī)的轉(zhuǎn)速即相應(yīng)跟著變化。在我國，電機(jī)在工頻下運(yùn)行，其交流電源的頻率為50Hz，當(dāng)電機(jī)拖動水泵、風(fēng)機(jī)運(yùn)行時，其頻率一般在0—50Hz之間調(diào)節(jié)。在公式（4.2）中，s為電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率，表示電動機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之間的轉(zhuǎn)差百分率，s由公式（4.3）表示：由于變頻調(diào)速（改變電源輸入頻率f）或變極調(diào)速（改變電機(jī)的磁極對數(shù)），不但電機(jī)轉(zhuǎn)速n變化，而且定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0也跟著變化，亦即在調(diào)速過程中轉(zhuǎn)差率s可近似看作不變，由于無轉(zhuǎn)差損耗，其調(diào)速效率比較高。相應(yīng)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，定子調(diào)壓調(diào)速等，由于只改變電機(jī)轉(zhuǎn)速n，不改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n。，轉(zhuǎn)速愈低，轉(zhuǎn)差率s愈大，轉(zhuǎn)差損耗愈大，因而效率愈低。電動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，能量的損耗主要體現(xiàn)在鐵損（定子的鐵芯），銅損（定子、轉(zhuǎn)子的繞組）和機(jī)械磨損三方面[3]。其中鐵損占17—30%，銅損占58—60%，機(jī)械磨損占10—25%。轉(zhuǎn)差損失，定子、轉(zhuǎn)子的電壓、電流、磁道等參數(shù)變化引起的能量損失，也都最后反映在鐵損和銅損上。為了提高電機(jī)效率，減少能量損失，除了改進(jìn)鐵芯，繞組（銅）的材質(zhì)，提高機(jī)械設(shè)計性能外，最主要的是改進(jìn)各種調(diào)速方法。對于電機(jī)變頻調(diào)速，常常采用恒轉(zhuǎn)矩（u/f控制，即電壓與頻率比控制）、變頻調(diào)速法或平方轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速法。在采取上述各種節(jié)能措施的基礎(chǔ)上，對于水泵而言，當(dāng)負(fù)載在50~100%，即頻率變動在25~50Hz之間時，電機(jī)的效率可維持在94~96%之間]，因此，在變頻調(diào)速中電機(jī)效率變化不大。2）系統(tǒng)效率分析水泵在變頻減速的情況下，效率是否降低？廊坊市安迪節(jié)能技術(shù)有限公司進(jìn)行了有益的研究工作，他們在“淺談熱網(wǎng)循環(huán)泵的特性與應(yīng)用”[5]一文中，詳談了有關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。該實(shí)驗(yàn)對循環(huán)泵（G=25m3/h，H=32m，N=4Kw，額定電流7.9A）在變頻調(diào)速（頻率f在50~30Hz之間變動）下的各種工況進(jìn)行了測試。根據(jù)各工況下電機(jī)的輸入電壓、電流和水泵的流量、揚(yáng)程，依據(jù)如下公式（4.5）、（4.6）、（4.7計算中，功率因數(shù)取值0.8，測試結(jié)果數(shù)據(jù)見表4.3，其變頻調(diào)速的工作特性曲線，效率曲線分別見圖4.13，圖4.14。應(yīng)該指出：在變頻調(diào)速的過程中，嚴(yán)格講，功率因數(shù)不完全是常數(shù)，應(yīng)有一些變化。從更嚴(yán)謹(jǐn)角度考慮，采用功率因數(shù)表或功率表直接測量更為妥貼。從測試結(jié)果看，水泵在工頻運(yùn)行（頻率50Hz）時，最高效率48%；45Hz運(yùn)行時，效率降為39.6%；40Hz運(yùn)行時，效（見表4.3）。也就是說水泵轉(zhuǎn)速亦或流量下降40%（即頻率從50Hz下降為30Hz水泵的效率下降為31.8%（從48%下降為16.2%），顯然降幅是比較大的。廊坊安迪節(jié)能技術(shù)有限公司有心做這樣詳盡的試驗(yàn)，提供這么多有說服力的數(shù)據(jù)，是非常難能可貴的，對行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步肯定有很大的幫助。但是也必須指出，上述數(shù)據(jù)，嚴(yán)格說，不只是水泵的效率數(shù)據(jù)，而應(yīng)該是水泵加電機(jī)的共同效率數(shù)據(jù)，或稱為系統(tǒng)效率更為確切。因?yàn)橛霉剑?.6）計算出的功率，是電機(jī)的輸入功率，不是水泵的輸入功率。真正稱之為水泵的輸入功率應(yīng)該是電機(jī)輸出的軸功率（即電機(jī)的軸轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積）?？上壳八M(jìn)行的實(shí)驗(yàn)還沒有精細(xì)到這一步。但無論如何，上述試驗(yàn)是很寶貴的，給出的系統(tǒng)效率（包含了電機(jī)的效率），對于節(jié)能效益的分析，有了科學(xué)依據(jù)?！皽\談熱網(wǎng)循環(huán)泵的特性及應(yīng)用”一文，在分析系統(tǒng)效率下降之后，就直接判斷：變頻減速幅度不能過大否則系統(tǒng)不節(jié)能的結(jié)論，這是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。因?yàn)榕袛嘞到y(tǒng)是否節(jié)能，不光要分析系統(tǒng)效率的高低，而且要研究系統(tǒng)總功率的大小，只有這樣，得出的結(jié)論才是準(zhǔn)確而科學(xué)的。表4.3變頻調(diào)速水泵各工況參數(shù)表4.5.2系統(tǒng)節(jié)能效益分析研究系統(tǒng)節(jié)能，除了分析水泵、電機(jī)的效率以外，還必須觀察系統(tǒng)的功率。而計算系統(tǒng)功率的大小，一條重要的環(huán)節(jié)，是確定水泵的工作點(diǎn)，以及工作點(diǎn)的變動情況。只有這樣，才能準(zhǔn)確計算系統(tǒng)的功率和節(jié)能效益。1）水泵在變頻調(diào)速下的工作點(diǎn)一般情況下，都選擇水泵在最高效率下運(yùn)行。假定水泵（上述試驗(yàn)水泵）在工頻狀態(tài)下運(yùn)行的工作點(diǎn)為A1，此時流量為25m3/h，揚(yáng)程為28m（見圖4.15）。若水泵在變頻調(diào)速過程中，系統(tǒng)管網(wǎng)不做任何調(diào)節(jié)，則管網(wǎng)阻力特性曲線（見公式（4.8）S1如圖4.15所示（此時公式中的S值，可由A1點(diǎn)的流量，揚(yáng)程值計算可得，S=0.0448），與f=40Hz、f=30Hz的水泵工作特性曲線分別相交于A2、在圖4.15中，A1、A2、A3點(diǎn)為水泵在不同的變頻調(diào)速下所對應(yīng)的工作點(diǎn)。工作點(diǎn)是水泵工作特性曲線與管網(wǎng)阻力特性曲線的交匯點(diǎn)。從數(shù)學(xué)意義上分析，工作點(diǎn)，實(shí)際上就是水泵工作特性數(shù)學(xué)方程與管網(wǎng)阻力特性曲線數(shù)學(xué)方程的聯(lián)立解。但水泵工作特性曲線的相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系過于復(fù)雜，很難用簡單的數(shù)學(xué)方程表示。通常都是采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，描繪成工作曲線來表達(dá)。在數(shù)值分析計算時，往往再由工作特性曲線擬合成多項(xiàng)式方程來表達(dá)。在工頻運(yùn)行時，水泵的工作特性曲線是無法改變的，為了滿足系統(tǒng)需求的運(yùn)行工況（特定的流量值），亦即確定需求的水泵工作點(diǎn)，往往必須改變管網(wǎng)的阻力特性。如圖4.15中，在工頻運(yùn)行下，為滿足15m3/h流量的工況需求，工作點(diǎn)必須由A1點(diǎn)移至A3’點(diǎn)，采取的技術(shù)措施只能將管網(wǎng)阻力特性曲線S1向左移動（即增大管網(wǎng)阻力）變?yōu)樽枇μ匦郧€S2。在實(shí)際工程中，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最常用方法，就是設(shè)置調(diào)節(jié)閥，增加節(jié)流阻力。對于變頻調(diào)速水泵，為了實(shí)現(xiàn)15m3/h的流量需求，則是通過改變水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)而改變水泵工作特性曲線，來尋找工作點(diǎn)A3，而不再變化管網(wǎng)阻力特性曲線，在實(shí)現(xiàn)15m3/h的流量需求時，選擇A3點(diǎn)作工作點(diǎn)，與選擇A3’點(diǎn)作工作點(diǎn)，最大的區(qū)別，是前者輸出的水泵功率（圖4.15中OCA315包圍面積）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于后者，其節(jié)能的數(shù)量可由圖4.15中的A3’A3CB所包圍面積表示。這是變頻調(diào)速水泵的最大優(yōu)點(diǎn)。2)節(jié)能效益分析水泵的輸出功率與水泵的葉輪形狀有關(guān)。對于后彎式葉輪或前彎式葉輪，水泵功率與流量呈二次方曲線關(guān)系。對于常用的徑向式葉輪，其功率與流量呈線性關(guān)系，由公式對于不同頻率的水泵轉(zhuǎn)速，其輸出功率（測試結(jié)果數(shù)據(jù)表4.3）不同（見圖4.17但均呈不同的直線。要計算變上找到水泵工作點(diǎn)A3（見圖4.15為此要計算管網(wǎng)的功率計算結(jié)果見表4.4。將表4.4數(shù)據(jù)繪制在圖4.17上，形成管網(wǎng)的功率曲線S1’和S2’。S1’和S2’分別為管網(wǎng)阻力特性曲線S1和S2的管網(wǎng)功率曲線（見圖4.15）。從圖4.17上，可以看出，工作點(diǎn)A3為頻率30Hz時的運(yùn)行工況，此時滿足流量為15m3/h的需求，其水泵功率為0.42kw。若不用變頻調(diào)速控制，而采取慣用的節(jié)流調(diào)節(jié)法，即水泵工作在A3’上，其水泵功率為1.33kw，即比變頻調(diào)速方法多耗電0.91kw，而前者節(jié)電68%。表4.4管網(wǎng)功率計算結(jié)果在業(yè)內(nèi)人員中，有的提出：水泵的功率與流量之間，究竟是三次方關(guān)系，還是一次方關(guān)系？通過上述分析，這個問題已經(jīng)一目了然。所謂三次方關(guān)系，是指流量與管網(wǎng)的輸配功率之間的關(guān)系。一次方關(guān)系是指水泵輸出功率與流量之間的關(guān)系。水泵只有運(yùn)行在工作點(diǎn)上，這二者的關(guān)系才會交集，重合。因此，水泵的變頻調(diào)速，最大的優(yōu)點(diǎn)就是能使水泵始終運(yùn)行在最節(jié)能的工作點(diǎn)上。3)節(jié)能計算綜合考慮電機(jī)、水泵的效率影響，和水泵輸出功率的變化，水泵在變頻調(diào)速（頻率減少）時系統(tǒng)的節(jié)能效益可由公式（4.11）計算：在公式（4.11）中，分子中的第一項(xiàng)，表示水泵變頻調(diào)速前后功率變化的差值。分子中的第二項(xiàng)表示變頻調(diào)速前后因效率不同造成的能耗損失之差。按公式（4.10對試驗(yàn)水泵進(jìn)行計算，結(jié)果見表4.5。在表4.5中，括號內(nèi)的節(jié)能率未計算公式中分子第二項(xiàng)，亦即未考慮變頻調(diào)速前后效率變化的影響。從表3-2的數(shù)據(jù)分析可看出：由于功率與流量呈三次方正比關(guān)系，轉(zhuǎn)速（流量）下降20%（頻率由50Hz降為40Hz功率下降51.2%；轉(zhuǎn)速（流量）下降一半（頻率功率減少的幅度很大，以致效率降低對能耗損失的影響微乎其微；在計算過程中發(fā)現(xiàn)，在低頻下運(yùn)行，效率造成的能耗損失甚至比高頻下運(yùn)行還小，這就是表4.5中，括號內(nèi)的節(jié)能率小于括號外的節(jié)能率的原因。通過上述分析，為了簡化計算，系統(tǒng)節(jié)能率可按公式（4.11）進(jìn)行：公式（4.12）清楚地說明：水泵在變頻調(diào)速時，可以不考慮效率的影響，頻率愈低（轉(zhuǎn)速愈低），節(jié)能的效益愈明表4.5變頻調(diào)速水泵節(jié)能效益分析4.5.3變頻泵組合運(yùn)行的合理方案水泵的變頻減速調(diào)節(jié)，永遠(yuǎn)是節(jié)能的。所以在系統(tǒng)中，各種水泵的并聯(lián)，串聯(lián)組合，都應(yīng)該在充分發(fā)揮變頻調(diào)速先進(jìn)技術(shù)的前提下進(jìn)行，這樣的水泵組合運(yùn)行方案才是合理的。1）盡量采用單泵獨(dú)立運(yùn)行在變頻調(diào)速技術(shù)沒有廣泛應(yīng)用前，供熱系統(tǒng)多采用多泵并聯(lián)方案實(shí)現(xiàn)分階段變流量調(diào)節(jié)。工頻并聯(lián)運(yùn)行水泵，由于工作特性決定，二臺同型號并聯(lián)水泵，其輸出流量一般只能達(dá)到二倍額定流量的70%左右這是陡降型水泵，如果是平坦型水泵，其輸出流量會更小為了達(dá)到二倍額定流量，必須加大水泵功率，顯然是不合算的?，F(xiàn)在采用變頻調(diào)速技術(shù)，理論上可以在0—50Hz范圍內(nèi)變速，由于調(diào)速幅度大，又是無極變速，因此，無論從變流量的調(diào)節(jié)功能上講，還是從節(jié)能的意義上講，使用單臺水泵獨(dú)立變頻運(yùn)行，要比工頻并聯(lián)運(yùn)行優(yōu)越。現(xiàn)在大力進(jìn)行分布式輸配系統(tǒng)的推廣，常常遇到遠(yuǎn)近期如何結(jié)合的問題。當(dāng)遠(yuǎn)近期負(fù)荷相差不是很大時，可按遠(yuǎn)期循環(huán)設(shè)計流量選擇水泵。近期，通過變頻調(diào)速，滿足實(shí)際負(fù)荷的需求。這樣，既能滿足功能需要，也能達(dá)到節(jié)約能源，節(jié)約投資的目的。當(dāng)遠(yuǎn)、近期負(fù)荷差別比較大時，可根據(jù)工程的實(shí)際情況，分別選擇近期循環(huán)水泵和遠(yuǎn)期循環(huán)水泵。如果從投資、占地等因素考慮，近期只安裝、運(yùn)行近期循環(huán)水泵，等到負(fù)荷發(fā)展到遠(yuǎn)期規(guī)模時，再由小泵換大泵，顯得十分靈活。在我國，供熱規(guī)模小于10萬m2時，其循環(huán)水泵功率都在30kw以下，更換起來非常方便。經(jīng)過多年的實(shí)踐，這樣規(guī)模的循環(huán)水泵，可不設(shè)備用泵（備用泵放在倉庫）。由于水泵小，再加上信息技術(shù)的發(fā)達(dá)，一旦發(fā)生故障，一般在半小時內(nèi)就可更換完畢，重新啟動運(yùn)行，因此對供熱效果不會有明顯影響。這一經(jīng)驗(yàn)的推廣，對于分布式輸配系統(tǒng)的應(yīng)用有重要意義。2）冷熱源“一對一”設(shè)置循環(huán)泵在現(xiàn)有的冷、熱源循環(huán)水泵的設(shè)置中，有的采用一組并聯(lián)水泵共同承擔(dān)冷熱源的系統(tǒng)循環(huán)；有的采用“一對一”設(shè)置，即一臺循環(huán)泵對應(yīng)一臺冷、熱源。在分布式輸配系統(tǒng)中，冷熱源循環(huán)泵，特別是在變頻調(diào)速情況下，理想的方案應(yīng)該是“一對一”設(shè)置。因?yàn)椴⒙?lián)組合方案，容易造成冷熱源設(shè)備間的流量分配不均勻，導(dǎo)致運(yùn)行工況的不穩(wěn)定，特別是在冷熱源設(shè)備啟動，停運(yùn)的過程中，出現(xiàn)突發(fā)性的工況變動，容易產(chǎn)生意外事故。采用“一對一”的設(shè)置方案，可以通過變頻調(diào)速，有效控制每臺冷熱源設(shè)備的循環(huán)流量。為了節(jié)能，還可在負(fù)荷的變動下，使冷熱源設(shè)備的循環(huán)流量在設(shè)計流量的70～100%的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，也不會出現(xiàn)循環(huán)流量過大，冷熱源設(shè)備壓降過大的毛病。這種方案，由于是“一對一”，哪臺冷熱源設(shè)備啟動，則對應(yīng)的哪臺循環(huán)泵運(yùn)行，減少了設(shè)備之間的干擾，有利于系統(tǒng)水力平衡。一般功率大于30kw的變頻水泵，都配置有軟啟動設(shè)備。通常在工頻狀態(tài)下啟動水泵，沖擊電流可達(dá)到額定電流的6～7倍。對于變頻調(diào)速水泵，可借助軟啟動設(shè)備自行選擇啟動電流（為額定電流的2倍，3倍……）和啟動時間（為2秒，4秒等……），這樣就可以大大降低冷熱源設(shè)備在啟動時發(fā)生突發(fā)性的干擾，提高設(shè)備的安全性，因此“一對一”方案有明顯的優(yōu)越性。3）給水系統(tǒng)多采用多泵并聯(lián)恒壓控制室內(nèi)給水系統(tǒng)采用恒壓控制，隨著建筑層數(shù)的不同，給水壓力不同，一層為10mH2O；二層為12mH2O;三層以上每多一層，增加4mH2O。給水系統(tǒng)的另外一個特點(diǎn)是屬于常年性負(fù)荷，一年內(nèi)甚至一月內(nèi)，平均用水量沒有太大差別；但在一日早、中、晚、夜間，或工作日和周末的小時用水量則有很大的差別。為了適用給水系統(tǒng)的這種負(fù)荷特點(diǎn)，目前采用的最合理的方案是多泵并聯(lián)變頻調(diào)速恒壓系統(tǒng)。其中，常用的一種方案是單臺變頻多臺并聯(lián)運(yùn)行。這種系統(tǒng)的運(yùn)行方案是根據(jù)建筑物的需求確定系統(tǒng)的設(shè)定給水壓力。在夜間，起動一個小泵，進(jìn)行變頻調(diào)速，滿足夜間給水用量。凌晨，用水量逐漸加大，小泵滿足不了用水量的需求，此時變頻器與小泵解列，小泵停止運(yùn)行。變頻控制柜拖動一臺大泵（數(shù)臺大泵并聯(lián)）軟啟動，并靠變頻調(diào)速適應(yīng)給水量的變化需求；當(dāng)該臺大泵達(dá)到50Hz運(yùn)行，仍滿足不了給水量增加的要求，此時在控制器的指令下，變頻器與運(yùn)行大泵解列，啟動第二臺大泵變頻運(yùn)行，第一臺大泵工頻運(yùn)行。根據(jù)給水量的不斷增加，第二臺，第三臺……大泵不斷起動工頻運(yùn)行，只有一臺大泵變頻運(yùn)行。當(dāng)給水負(fù)荷逐漸減少時，工頻運(yùn)行的大泵逐臺停運(yùn)。至夜間恢復(fù)小泵變頻運(yùn)行。這種運(yùn)行方案的多臺并聯(lián)，單臺變頻的水泵工作點(diǎn)見圖4.18，其中H0為給水系統(tǒng)的設(shè)定壓頭，n01,n02,n03虛線表示工頻運(yùn)行時，一臺泵，二臺泵，三臺泵并聯(lián)工作特性曲線。n1，n2為單泵不同轉(zhuǎn)速的工作特性曲線。n12，n13和n22，n23實(shí)線分別為變頻泵與一臺工頻泵或二臺工頻泵并聯(lián)的工作特分別為不同組合泵時的水泵工作點(diǎn)。其中A22為轉(zhuǎn)速為n2時變頻泵與一臺工頻泵并聯(lián)的工作點(diǎn)。A02為二臺泵在工頻運(yùn)行時并聯(lián)的工作點(diǎn)，由A02、A22與縱坐標(biāo)包圍的矩形面積為節(jié)能的數(shù)量。圖4.工8單臺變頻多臺并聯(lián)工作點(diǎn)給水系統(tǒng)的另一種多泵并聯(lián)是采用“一對一”的變頻調(diào)速方案。這種方案，每臺水泵配備一臺變頻器。當(dāng)1號水泵起動變頻運(yùn)行，直到50Hz運(yùn)行仍滿足不了給水量要求時，啟動2號泵，變頻運(yùn)行增速至50Hz，再啟動3號泵?！?dāng)給水量減少時，依次停運(yùn)投運(yùn)水泵。上述兩種控制方案，各有優(yōu)缺點(diǎn)。單臺變頻方案，投資省，“一對一”變頻方案投資較貴，但比前一種方案，節(jié)能效果明顯。4)根據(jù)工作點(diǎn)的變動采取相應(yīng)調(diào)控方案在變頻多泵組合的運(yùn)行中，不但水泵的工作特性曲線經(jīng)常變化，就連管網(wǎng)阻力曲