水利工程論文-對《SPWM變頻調速應用技術》中關于恒壓供水主體方案的商榷.doc

水利工程論文-對SPWM變頻調速應用技術中關于恒壓供水主體方案的商榷摘要：自動化新技術叢書SPWM變頻調速應用技術（張延濱編著）是一本非常好的書，但書中關于恒壓供水主體方案的討論一節(jié)的觀點有待商榷，本文對恒壓供水主體方案的確定舉例進行了分析，并提出恒壓供水主體方案確定應考慮系統(tǒng)的運行方式，經綜合比較分析最終確定合理的方案。關鍵詞：恒壓供水變頻控制主體方案商榷自動化新技術叢書SPWM變頻調速應用技術（張延濱編著）是一本非常好的書，該書深入淺出的介紹有關變頻器知識及應用，使讀者對變頻控制系統(tǒng)有了更全面的了解，但書中關于恒壓供水主體方案的討論一節(jié)的觀點有待商榷，本文淺談自己的觀點，供同行一起討論。1原文轉述在SPWM變頻調速應用技術中第226頁中7.1.2關于恒壓供水主方案的討論一節(jié)中原文摘錄如下：712關于恒壓供水主體方案的討論通常，在同一路供水系統(tǒng)中，設置兩臺常用泵，供水量大時開2臺，供水量少時開1臺。在采用變頻調速進行恒壓供水時，存在著一個用1臺變頻器還是2臺變頻器的問題，討論如下：11臺泵的變頻調速方案這也是應用得較為普遍的方案。其控制過程是：用水少時，由變頻器控制1號泵，進行恒壓供水控制。當用水量逐漸增加，1號泵的工作頻率達到50Hz時，將其電動機切換成由工頻電源供電。同時，將變頻器切換到2號泵上，由2號泵進行補充供水。反之，當用水量逐漸減少，即使2號泵的工作頻率已降到0Hz，而供水壓力仍偏大時，則關掉1號泵，同時迅速升高2號泵的工作頻率，并進行恒壓控制。此方案的主要特點是：（1）只用1臺變頻器，故設備投資少。（2）如果用水量恰巧在1臺泵全速供水量的上下變動時，將會出現供水系統(tǒng)來回切換的狀態(tài)。為了避免這種現象的發(fā)生，可設置壓力控制的“切換死區(qū)”。舉例說明如下：設所需供水壓力為200Pa，則可設定切換死區(qū)范圍為200Pa250Pa，控制的方式是，當1號泵的工作頻率上升至50Hz時，如壓力低于200Pa，則進行切換，使1號泵全速運行，2號泵進行補充。當用水量減少，2號泵已完全停止，但壓力仍超過200Pa時，先暫不切換，直至壓力超過250Pa時，再行切換。（3）本方案取用電功率的計算舉例如下：設每臺泵的拖動電動機容量為PMN=100KW，全速時的供水流量為QN。泵的空載損耗為P0=0.1100KW=10KW，且設在調速過程中，P0Const，則全速時實際用于泵水的功率為Pp=(100-110)KW=90KW。又設每天的平均總供水流量為140%QN，則1號泵為全速，其平均取用功率為PM1=PMN=100KW2號泵的平均轉速為額定轉速的40%，其平均取用功率為PM2=(10+0.4390)KW=15.8KW兩臺泵取用的總平均功率P為P=(100+15.8)KW=115.8KW22臺泵的變頻調速方案2臺水泵的電動機都由變頻器控制，或用2臺變頻器分別控制2臺電動機，或用1臺容量較大的變頻器同時控制2臺電動機。后者控制較為簡單，但前者的機動性較強，即使一臺變頻器出了故障，另一臺仍可使用，轉為1臺泵的變頻調速方案。采用2臺泵的變頻調速方案的設備費用較高，但運行時的節(jié)能效果卻要好得多。仍以上面的例子為例，計算如下。采用2臺泵的變頻調速方案時，供水流量可由2臺水泵平均分擔，則每臺的平均供水流量為70%QN，每臺電動機的取用電功率為PM1=(10+0.7390)KW=40.9KW2臺水泵共用功率為P=40.92KW=81.8KW2商榷分析21基本相似關系當一臺泵抽同一種液體僅轉速不同時，可得出所謂“比例律”公式，即Q1Q2=n1n2-1H1H2=(n1n2)2-2N1N2=(n1n2)3-3式中N1、N2指水泵軸功率，此功率已包含了水泵的容積損失功率、機械效率損失功率、水力損失功率等。當水泵的轉速改變后，水泵的其它工作參數也隨著改變，一般來講，水泵不允許在額定轉速的基礎上作升速運行，但降速運行是可以的，但也不應在臨界轉速之下長期運行。一般來講降速范圍在（60%-100%）額定轉速范圍內運行是安全穩(wěn)定的，“比例律”也是準確的。已知轉速為n的某泵QH性能曲線，如果把水泵的轉速降至n1時,按比例律公式1與2可繪出Q1H1曲線，但在運用比例律公式時應注意，它們僅適用于同一條相似工況拋物線上的不同點。所以，當已知A1點(Q1H1)及n時，首先要求出通過A1點(Q1H1)工況的相似拋物線，此拋物線也通過轉速為n1的A2點(Q2H2)，按比例律公式進行計算求相似工況點的方法如下：根據比例律公式可得出H1Q12HQ2KHKQ2若已知A1點(Q1H1)，則可求出K值，在Q-H曲線圖上假定幾個流量，就可作出HKQ2的相似工況拋物線，此曲線不但通過A1點(Q1H1)，而且與水泵轉速為n1的性能曲線相交于A2點(Q2H2)。但管道特性曲線與相似工況拋物線不是一回事，兩者重合的可能性很小，故在實際應用時一定要注意概念的區(qū)分，以免發(fā)生錯誤。當QH需不變時，即某工程系統(tǒng)凈揚程為H凈，管道已確定時，見圖一所示，其在不同轉速下的運行工況點應為點A3(對應轉速為n1)、點A1(對應轉速為n)，但點A1與A3由于工況不相似，故不能用相似律公式計算。點A3(對應轉速為n1)與點A4(對應轉速為n)才是相似的工況點，如果水泵在轉速為n1下運行時，A3點是否在穩(wěn)定運行區(qū)，要看對應的相似點A4是否在穩(wěn)定運行區(qū)，如果A4點是水泵的穩(wěn)定運行區(qū)，則A3點就是穩(wěn)定運行區(qū)，否則就不是，在工程中選擇設備時一定要注意運行工況范圍，所選水泵的工況范圍區(qū)間應包含A1和A4點，這樣系統(tǒng)運行是穩(wěn)定的、安全的和可靠的。不然就會使工程不能充分發(fā)揮效益，甚至造成不必要的浪費。圖一水泵及管道性能曲線2.2邊界條件分析在SPWM變頻調速應用技術中的恒壓供水主方案的討論，對設置一臺變頻器與二臺變頻器系統(tǒng)所需的軸功率計算，忽略了邊界條件，其邊界條件是管道特性與工況相似拋物線完全重合的特殊情況，且系統(tǒng)不是恒壓供水系統(tǒng)，應是圖二所示的水平供水系統(tǒng)，當管道末端所需流量小時系統(tǒng)壓力也小，管道末端所需流量大時系統(tǒng)壓力也大的輸水系統(tǒng)，且系統(tǒng)的凈水位差為零，即管道特性曲線必須經過零流量點。在這樣的前提下，書中的計算結果才是正確的，但書中的結論還不確切。2.3書中計算誤區(qū)書中例子假如每天平均總供水流量為140%QN，則1號泵為全速，其平均取用功率為PM1=PMN=100KW，此刻的100KW為拖動電動機的容量，而不是水泵運行所消耗的軸功率，不能以此進行相似律的計算。參見圖一，2號泵的平均轉速為額定轉速的40%，其所需功率不是15.8KW，因為消耗15.8KW功率所對應的工況點為水泵全速運行的工況點A1(Q1H1)的相似拋物線上對應的40%運行工況點A2(Q2H2)，而對應40%額定流量下恒壓運行的工況點應該是工況點A5(Q2H1)，此點消耗的功率要比15.8KW大。恒壓運行各轉速下的工況點是壓力為某一給定的數值，即水泵運行的點為一平行于Q軸的過A1(Q1H1)線上的點，而不能用管道特性曲線上的點或相似拋物線上的點來對應關系。同樣采用2臺變頻調速的方案，則平均每臺供水流量為70%Qr，則每臺水泵所需功率圖二輸水系統(tǒng)示意圖不是40.9KW，2臺水泵共用功率也不是81.8KW了。2.4列例說明我們討論問題的前提是恒壓供水系統(tǒng)，在此前提下必須是恒壓控制，那么在這種條件下選擇一臺變頻還是兩臺變頻，其節(jié)能效果確如書上所計算的那樣嗎？其經濟技術的合理性到底怎樣呢？同樣我們以例子進行計算分析。系統(tǒng)各流量下水泵所需軸功率進行了計算，見表一。Q總（m3/s）1.1Qr1.2Qr1.3Qr1.4Qr1.5Qr1.6Qr1.7Qr1.8Qr1.9Qr一一臺臺變工頻頻變頻泵Q0.0230.0460.0690.0920.1150.1380.1610.1840.207H45454545454545454520%42%58%71%76%81%83%83%82%P50.848.352.557.766.875.285.697.9111.4二臺泵P軸(KW)176.2173.7177.9182.6192.2200.6211223.3236.8二臺變頻Q0.12650.1380.14950.1610.17250.1840.19550.2070.2185H45454545454545454579%81%82%83%83%83%82%82%82%P55.875.280.585.691.797.9105.2111.4117.6二臺泵P軸(KW)111.6150.4161171.2183.4195.8210.4222.8235.2二臺變頻較一臺變頻對比節(jié)能（KW）64.623.311.911.48.84.80.60.51.6經濟比較每天運行10小時計消耗電能（KWh）64623311911488486516每度電按0.8元計每年耗電費（萬元）18.866.83.473.332.571.40.180.150.47一臺變頻控制裝置設備價格（萬元）202020202020202020預計收回成本年限136681411113343表一設置一臺和二臺變頻器的技術經濟比較表假設系統(tǒng)設二臺12sh-9A泵，以此為例對恒壓供水主體方案進行計算分析討論，以更為直觀地使大家判斷出選擇幾臺變頻控制設備更為合理。設每臺水泵在額定工況下Hr=45mQr=0.23m3/s水=81%P軸=125.4KW配套電動機P電動機=160KWn=1470r/min恒壓變頻控制壓力整定為H=45m，分別對系統(tǒng)所需流量為1.1Qr、1.2Qr、1.3Qr、1.4Qr、1.5Qr、1.6Qr、1.7Qr、1.8Qr、1.9Qr進行計算水泵所需軸功率。當系統(tǒng)所需流量為1.1Qr即0.253m3/s時，分別對設置一臺變頻器、二臺變頻器方案進行計算。i）當設置一臺變頻器時，即一臺工頻運行，一臺變頻運行。變頻運行的泵的流量為0.023m3/s，此時水泵揚程為Hr=45m水=20%P軸=50.8KW，二臺泵的軸功率為176.2KW。ii）當設置二臺變頻器時，則二臺泵同時進行變頻運行。每臺變頻運行的泵的流量為0.1265m3/s，此時水泵揚程為Hr=45m水=73%P軸=76.5KW，二臺泵的軸功率為153KW。其節(jié)能23.2KW。綜合看二臺變頻裝置確實節(jié)能，但節(jié)能效果不是象書中所述的那樣，從表一可以看到，當系統(tǒng)