水泵變頻運行分析.doc

水泵變頻運行的圖解分析方法作者：變頻器世界1 引言水泵采用變頻調(diào)速可以達到很好的節(jié)能效果，這在同行業(yè)中已經(jīng)有很多人寫了大量的論文進行論述。但其結果卻有很多不盡人意的地方，有很多結論甚至是錯誤的和無法解釋清楚的，本文以簡易的圖解分析法來進行進一步的解釋和分析。2 水泵變頻運行分析的誤區(qū)2.1 有很多人在水泵變頻運行的分析中都習慣引用風機水泵中的比例定律流量比例定律 Q1/Q2=n1/n2揚程比例定律 H1/H2=(n1/n2)2軸功率比例定律 P1/P2=(n1/n2)3并由此得出結論：水泵的流量與轉速成正比，水泵的揚程與轉速的平方成正比，水泵的輸出功率與轉速的3次方成正比。以上結論確實是由風機和水泵的比例定律中引導出來的，但是卻無法解釋如下問題：(1) 為什么水泵變頻運行時頻率在3035Hz以上時才出水？(2) 為什么水泵在不出水時電流和功率極小，一旦出水時電流和功率會有一個突跳，然后才隨著轉速的升高而升高？2.2 繪制水泵的性能特性曲線和管道阻力曲線很多人繪制出水泵的性能特性曲線和管道阻力曲線如圖1所示。圖1 水泵的特性曲線圖1中，水泵在工頻運行的特性曲線為F1，額定工作點為A，額定流量QA，額定揚程HA，管網(wǎng)理想阻力曲線R1=KQ與流量Q成正比。采用節(jié)流調(diào)節(jié)時的實際管網(wǎng)阻力曲線R2，工作點為B，流量QB，揚程HB。采用變頻調(diào)速且沒有節(jié)流的特性曲線F2，理想工作點為C，流量QC，揚程HC;這里QB=QC。按圖1中所示曲線，要想用調(diào)速的方法將流量降到零，必須將變頻器的頻率也降到零，但這與實際情況是不相符的。實際水泵變頻調(diào)速時，頻率降到3035Hz以下時就不出水了，流量已經(jīng)降到零。2.3 變頻泵與工頻泵并聯(lián)變頻泵與工頻泵并聯(lián)運行時，由于工頻泵出口壓力大，變頻泵出口壓力小，因此懷疑變頻泵是否會不出水？是否工頻泵的水會向變頻泵倒灌？3 以上分析的誤區(qū)(1) 相似定律確實是風機水泵在理論分析當中的一條很重要的定律，它表明相似泵(或風機)在相似工況下運行時，對應各參數(shù)之相互關系的計算公式。而比例定律是相似定律作為特例演變而來的。即兩臺完全相同的泵在相同的工況條件下，輸送相同的流體，且泵的直徑和輸送流體的密度不變，僅僅轉速不同時，水泵的流量、揚程和功率與轉速之間的關系。(2) 在風機單機運行時，風門擋板不變且溫度和密度不變時，管網(wǎng)阻力只與風機的流量有關，阻力系數(shù)為常數(shù)。因此其運行工況與標準工況相同，可以應用比例定律。但在風機并聯(lián)運行時，由于出口風壓受其它風機的風壓的影響，出口流量也與總流量不同，造成工況變化，因此比例定律已經(jīng)不再適用了。(3) 相似定律在引風機中，如果擋板不變但介質(zhì)溫度和密度發(fā)生了變化時，作為特例，其形式也發(fā)生了變化，與上述比例定律不同，必須進行溫度或密度的修正。(4) 在水泵方面，比例定律僅適用于水泵的出水口和進水口之間沒有高度差，即沒有凈揚程的情況。比如在沒有落差的同一水平面上遠距離輸水，水泵的輸出揚程(壓力)僅用來克服管道的阻力，在這種情況下，當轉速降到零時，揚程(壓力)也降到零，流量也正好降到零，這是理想的水泵運行工況。圖1中工作點A和C就完全適合這種工況，可以使用比例定律。(5) 但實際水泵運行工況不可能達到理想工況，水泵的出水口和進水口之間是有高度差的，有時還很大。在水泵并聯(lián)運行時，水泵的出水口壓力還要受到其它水泵運行壓力的影響。并聯(lián)運行的泵要想出水，水其揚程必須大于其他水泵當時的壓力。水泵出口流量并不是總管網(wǎng)流量，總管網(wǎng)流量為所有運行的水泵的流量和。由于管網(wǎng)總流量增大和阻力增大，因此并聯(lián)運行的水泵揚程更高，工況發(fā)生變化，因此比例定律在此也不再適用。4 單臺水泵變頻運行的圖解分析(1) 單臺水泵變頻運行分析的關鍵，在于水泵進出口水位的高度差，也就是水泵的凈揚程H0。水泵的揚程只有大于凈揚程時才能出水。因此管網(wǎng)阻力曲線的起始點就是該凈揚程的高度，見圖2。圖2 單臺水泵變頻運行特性曲線圖2中，額定工作點仍然為A，理想管網(wǎng)阻力曲線R1與流量成正比。變頻后的特性曲線F2，工作點B。流量為零時的凈揚程H0，變頻運行實際工作點HB與凈揚程的差H=HB-H0，為克服管網(wǎng)阻力達到所需流量QB時的附加揚程。由于管網(wǎng)阻力曲線與圖1不同，因此不滿足相似定律。(2) 圖2中的工作點A為水泵額定工作點，滿足水泵的額定揚程和額定流量。因此R1成為理想的管網(wǎng)阻力曲線。但是由于實際管網(wǎng)阻力曲線不可能為理想曲線，因此實際的最大工作點一定要偏離A點。如果實際最大工作點向A點右下方偏移，則由于流量增加較大，容易造成水泵過載。因此實際額定工作點應該向A點左上方偏移，見圖3。圖3實際工作點向A點偏移(3) 圖3中，在節(jié)流閥門全部打開，管網(wǎng)阻力曲線R2為實際管網(wǎng)阻力曲線。變頻器在50Hz下運行時的實際最大工作點C，實際最大流量QC(比水泵的額定流量QA小)，最大流量時的揚程HC(比水泵實際額定揚程HA高)。實際工作點C的參數(shù)只能通過實際測試才能得出。當在變頻器頻率為F2時的特性曲線F2，實際工作點B。實際工作點與凈揚程的差H=HB-H0=K2QB2，為克服實際管網(wǎng)阻力達到所需流量QB時的附加揚程。工作點B的實際揚程HB=K2QB2+H0。5 相同性能曲線水泵工頻并聯(lián)運行時的圖解分析(1) 兩臺或兩臺以上的泵向同一壓力管道輸送流體時的運行方式稱為并聯(lián)運行。并聯(lián)運行的目的是為了增加流體的流量，適用于流量變化較大，采用一臺大型泵的運行經(jīng)濟性差的場合。同時水泵并聯(lián)運行時可以有備用泵，來保證系統(tǒng)運行的安全可靠性。(2) 水泵并聯(lián)運行工況的工作點，由并聯(lián)運行的總性能曲線和總的管道特性曲線的交點來確定。并聯(lián)運行的總性能曲線，是根據(jù)并聯(lián)運行時工作揚程相等，流量相加的原則，在同一坐標揚程下，將每臺泵性能曲線上相應的橫坐標流量相加繪制而成的，見圖4。相加的原則，在同一坐標揚程下，將每臺泵性能曲線上相應的橫坐標流量相加繪制而成的，見圖4。圖4水泵并聯(lián)運行特性(3) 圖4為兩臺相同性能泵并聯(lián)工作的總性能曲線與工作點。其中A為任意一臺泵單泵運行時的工作點，凈揚程H0。B為兩臺泵并聯(lián)運行時單臺泵的工作點。F2為兩臺泵并聯(lián)運行時的總的性能曲線，在縱坐標相同的情況下，橫坐標為單臺泵性能曲線的兩倍。并聯(lián)運行的工作點C點的流量QC=2QB，揚程HC=HB。管網(wǎng)阻力曲線不變，只是兩臺泵并聯(lián)運行時，流量為兩臺泵的流量和。(4) 兩臺相同性能的水泵并聯(lián)運行有如下特點：l HC=HBHA：即兩臺泵并聯(lián)運行時揚程相同，且一定大于單臺泵運行時的揚程。l QC=2QBHA1HB1：即兩臺泵并聯(lián)運行時揚程相同，且一定大于每臺泵單泵運行時的揚程。(2) QC=QA2+QB2關死點揚程(或最大揚程)不同，流量也不同的水泵并聯(lián)運行時的性能曲線如圖6所示。圖6 揚程不同、流量不同水泵并聯(lián)特性曲線(1) F1為大泵的性能曲線，大泵單泵運行時的工作點A1。(2) F2為小泵的性能曲線，小泵單獨運行時的工作點B1。(3) F3為并聯(lián)水泵的總的性能曲線，工作點C，揚程HC，流量QC=QA2+QB2。6.4 關死點揚程(或最大揚程)不同，流量也不同的水泵運行時特點(1) HC=HB2=HA2HA1HB1：即兩臺泵并聯(lián)運行時揚程相同，且一定大于大泵單泵運行時的揚程HA1，更大于小泵單泵運行時的揚程HB1。(2) QC=QA2+QB2(3) 兩泵并聯(lián)運行時，揚程低的水泵并聯(lián)運行時流量減少更快。(4) 當管網(wǎng)阻力曲線變化時，容易發(fā)生工作點在D的位置，該點的揚程高于小泵的最大揚程，造成小泵因揚程不足不出水，嚴重時會發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。7 變頻泵與工頻泵并聯(lián)運行時的圖解分析7.1 變頻泵與工頻泵并聯(lián)運行時總的性能曲線，與關死點揚程(最大揚程)不同，流量也不同的水泵并聯(lián)運行時的情況非常類似，可以用相同的方法來分析。圖7 變頻泵與工頻泵并聯(lián)運行特性曲線(1) F1為工頻泵的性能曲線，也是變頻泵在50Hz下滿負荷運行時的性能曲線(假定變頻泵與工頻泵性能相同)，工頻泵單泵運行時的工作點A1。(2) F2為變頻泵在頻率F2時的性能曲線，變頻泵在頻率F2單獨運行時的工作點B1。(3) F3為變頻和工頻水泵并聯(lián)運行的總的性能曲線，工作點C，揚程HC，流量QC=QA2+QB2。7.2 變頻泵與工頻泵并聯(lián)運行時的特點(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，F(xiàn)3也隨著變化。工作點C也跟著變化。因此變頻泵的揚程HB2，流量QB2，工頻泵揚程HA2，流量QA2，以及總的揚程HC=HB2=HA2，和總流量QC= QA2+QB2都會隨著頻率F2的變化而變化。(3) 隨著變頻泵頻率F2的降低，變頻泵的揚程逐漸降低，變頻泵流量QB2快速減少;工作點C的揚程也隨著降低，使總的流量QC減少;因此工頻泵的揚程也降低，使工頻泵流量QA2反而略有增加，此時要警惕工頻泵過載。8 水泵運行時的特例8.1 變頻泵與工頻泵并聯(lián)運行特例之一，是頻率F2= F1=50Hz圖8 變頻泵在50Hz時與工頻泵并聯(lián)運行特性曲線(1) F1為工頻泵的性能曲線，也是變頻泵F2= F1=50Hz下滿負荷運行時的性能曲線(假定變頻泵與工頻泵性能相同)，工頻泵和變頻泵單泵運行時的工作點A1。(2) F3為變頻和工頻泵并聯(lián)運行時總的性能曲線。工作點C，揚程HC=HB2=HA2等于每臺泵的揚程，每臺泵的流量QA2=QB2，總流量QC=QA2+QB2=2QA2。即當F2= F1=50Hz時，變頻泵與工頻泵并聯(lián)運行時的特性，與兩臺性能相同的泵并聯(lián)運行時完全一樣。8.2 變頻泵與工頻泵并聯(lián)運行特例之二是F2=MIN圖9變頻泵在最低頻率下與工頻泵并聯(lián)運行特性曲線(1) F1為工頻泵的性能曲線，工頻泵單泵運行時的工作點A1。(2) F2=MIN為變頻泵最低頻率下單泵運行時的性能曲線。(3) F3為變頻和工頻泵并聯(lián)運行時總的性能曲線，工作點C不與F3相交，只與F1相交，揚程HC=HA1=HA2=HB2等于每臺泵的揚程，工頻泵的流量QA2=QA1，總流量QC=QA2=QA1，QB2=0。即當F2=MIN時，變頻泵的揚程不能超過工頻泵的揚程，因此變頻泵的流量為零。變頻泵與工頻泵并聯(lián)運行時總的性能曲線，與單臺工頻泵運行時的性能曲線相同，變頻泵沒有流量輸出，但仍然消耗一定的功率。(4) 在此運行狀況中，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，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)打開，使泵保持一定的最小流量，但這樣做使泵的能耗增加。8.3 水泵變頻不論是單泵運行還是并聯(lián)運行都有一個極端理想的特例，就是只有凈揚程，沒有管網(wǎng)阻力?；蛘吖芫W(wǎng)阻力與凈揚程相比可以忽略。則管網(wǎng)阻力曲線可以看成是一條與凈揚程點平行的一條直線。水泵將水通過粗管道垂直向上打入一個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)阻力相對較小，因此采用變頻運行時也可以看成屬于這種情況(見圖10)。圖10 沒有管網(wǎng)阻力時變頻泵與工頻泵并聯(lián)運行特性曲線(1) F1為變頻器最高運行頻率性能曲線，工作點A，F(xiàn)2和F3為變頻運行性能曲線。H0為實際揚程。(2) 圖10中不論怎樣調(diào)節(jié)頻率，揚程都恒定不變，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10中可以看出，隨著頻率的減少，微小的頻率變化F會引起很大的流量變化Q。性能曲線越平坦，F(xiàn)引起的Q就越大。因此頻率越低，流量越小時這種變化就越大。所以說頻率與流量之間的關系為QA/(F1-FMIN)，是一種非線性的很難說是幾次方的關系。由于功率與流量成正比，功率與頻率的關系為H0QA/(F1-FMIN)，也很難說與頻率是幾次方的關系。(3) 在這種情況下進行變頻運行時，流量不宜太小，以防止微小的頻率或轉速的變化引起流量較大的變化，造成水泵流量不穩(wěn)定。(4) FMIN越高，F(xiàn)1-FMIIN就越小，流量和功率隨頻率的變化就越大。9 結束語經(jīng)過以上分析，就可以解釋上面2.1-2.3當中的一些問題了：(1) 水泵在3035Hz以上時才能出水，是因為水泵性能曲線的最高揚程必須大于水泵的凈揚程，或者大于并聯(lián)運行的工頻泵的工作揚程，該頻率對應于水泵變頻運行時的最低頻率F2=FMIN。(2) 頻率在最低頻率以下時，水泵不出水，沒有有效功率輸出，其損耗僅為水泵的空載損耗，因此電機的電流和功率都非常小，此時水泵效率降到最低。一旦運行頻率大于最低頻率，水泵出水后的流量一方面要克服管網(wǎng)阻力做功，另一方面還要克服