水泵變頻運(yùn)行特性曲線

..引言水泵采用變頻調(diào)速可以達(dá)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(jìn)行論述。但其結(jié)果卻有很多不盡人意的地方,有很多結(jié)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(jìn)行進(jìn)一步的解釋和分析。水泵變頻運(yùn)行分析的誤區(qū)有很多人在水泵變頻運(yùn)行的分析中都習(xí)慣引用風(fēng)機(jī)水泵中的比例定律流量比例定律Q1/Q2=n1/n2

揚(yáng)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(jié)論:水泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比,水泵的揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比,水泵的輸出功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比。

以上結(jié)論確實(shí)是由風(fēng)機(jī)和水泵的比例定律中引導(dǎo)出來的,但是卻無法解釋如下問題:為什么水泵變頻運(yùn)行時頻率在30～35Hz以上時才出水？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,后才隨著轉(zhuǎn)速的升高而升高？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(yùn)行的特性曲線為F1,額定工作點(diǎn)為A,額定流量QA,額定揚(yáng)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(shí)際管網(wǎng)阻力曲線R2,工作點(diǎn)為B,流量QB,揚(yáng)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(diǎn)為C,流量QC,揚(yáng)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(shí)際情況是不相符的。實(shí)際水泵變頻調(diào)速時,頻率降到30～35Hz以下時就不出水了,流量已經(jīng)降到零。變頻泵與工頻泵并聯(lián)變頻泵與工頻泵并聯(lián)運(yùn)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？以上分析的誤區(qū)相似定律確實(shí)是風(fēng)機(jī)水泵在理論分析當(dāng)中的一條很重要的定律,它表明相似泵<或風(fēng)機(jī)>在相似工況下運(yùn)行時,對應(yīng)各參數(shù)之相互關(guān)系的計(jì)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(zhuǎn)速不同時,水泵的流量、揚(yáng)程和功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。在風(fēng)機(jī)單機(jī)運(yùn)行時,風(fēng)門擋板不變且溫度和密度不變時,管網(wǎng)阻力只與風(fēng)機(jī)的流量有關(guān),阻力系數(shù)為常數(shù)。因此其運(yùn)行工況與標(biāo)準(zhǔn)工況相同,可以應(yīng)用比例定律。但在風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時,由于出口風(fēng)壓受其它風(fēng)機(jī)的風(fēng)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。相似定律在引風(fēng)機(jī)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(jìn)行溫度或密度的修正。在水泵方面,比例定律僅適用于水泵的出水口和進(jìn)水口之間沒有高度差,即沒有凈揚(yáng)程的情況。比如在沒有落差的同一水平面上遠(yuǎn)距離輸水,水泵的輸出揚(yáng)程<壓力>僅用來克服管道的阻力,在這種情況下,當(dāng)轉(zhuǎn)速降到零時,揚(yáng)程<壓力>也降到零,流量也正好降到零,這是理想的水泵運(yùn)行工況。圖1中工作點(diǎn)A和C就完全適合這種工況,可以使用比例定律。但實(shí)際水泵運(yùn)行工況不可能達(dá)到理想工況,水泵的出水口和進(jìn)水口之間是有高度差的,有時還很大。在水泵并聯(lián)運(yùn)行時,水泵的出水口壓力還要受到其它水泵運(yùn)行壓力的影響。并聯(lián)運(yùn)行的泵要想出水,水其揚(yáng)程必須大于其他水泵當(dāng)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(yùn)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(yùn)行的水泵揚(yáng)程更高,工況發(fā)生變化,因此比例定律在此也不再適用。單臺水泵變頻運(yùn)行的圖解分析單臺水泵變頻運(yùn)行分析的關(guān)鍵,在于水泵進(jìn)出口水位的高度差,也就是水泵的凈楊程H0。水泵的揚(yáng)程只有大于凈揚(yáng)程時才能出水。因此管網(wǎng)阻力曲線的起始點(diǎn)就是該凈揚(yáng)程的高度,見圖2。圖2單臺水泵變頻運(yùn)行特性曲線圖2中,額定工作點(diǎn)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(diǎn)B。流量為零時的凈揚(yáng)程H0,變頻運(yùn)行實(shí)際工作點(diǎn)HB與凈揚(yáng)程的差△H=HB-H0,為克服管網(wǎng)阻力達(dá)到所需流量QB時的附加揚(yáng)程。由于管網(wǎng)阻力曲線與圖1不同,因此不滿足相似定律。圖2中的工作點(diǎn)A為水泵額定工作點(diǎn),滿足水泵的額定揚(yáng)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(shí)際管網(wǎng)阻力曲線不可能為理想曲線,因此實(shí)際的最大工作點(diǎn)一定要偏離A點(diǎn)。如果實(shí)際最大工作點(diǎn)向A點(diǎn)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(shí)際額定工作點(diǎn)應(yīng)該向A點(diǎn)左上方偏移,見圖3。圖3實(shí)際工作點(diǎn)向A點(diǎn)偏移圖3中,在節(jié)流閥門全部打開,管網(wǎng)阻力曲線R2為實(shí)際管網(wǎng)阻力曲線。變頻器在50Hz下運(yùn)行時的實(shí)際最大工作點(diǎn)C,實(shí)際最大流量QC<比水泵的額定流量QA小>,最大流量時的揚(yáng)程HC<比水泵實(shí)際額定揚(yáng)程HA高>。實(shí)際工作點(diǎn)C的參數(shù)只能通過實(shí)際測試才能得出。當(dāng)在變頻器頻率為F2時的特性曲線F2,實(shí)際工作點(diǎn)B。實(shí)際工作點(diǎn)與凈揚(yáng)的差△H=HB-H0=K2QB2,為克服實(shí)際管網(wǎng)阻力達(dá)到所需流量QB時的附加揚(yáng)程。工作點(diǎn)B的實(shí)際揚(yáng)程HB=K2QB2+H0。相同性能曲線水泵工頻并聯(lián)運(yùn)行時的圖解分析兩臺或兩臺以上的泵向同一壓力管道輸送流體時的運(yùn)行方式稱為并聯(lián)運(yùn)行。并聯(lián)運(yùn)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(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差的場合。同時水泵并聯(lián)運(yùn)行時可以有備用泵,來保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性。水泵并聯(lián)運(yùn)行工況的工作點(diǎn),由并聯(lián)運(yùn)行的總性能曲線和總的管道特性曲線的交點(diǎn)來確定。并聯(lián)運(yùn)行的總性能曲線,是根據(jù)并聯(lián)運(yùn)行時工作揚(yáng)程相等,流量相加的原則,在同一坐標(biāo)揚(yáng)程下,將每臺泵性能曲線上相應(yīng)的橫坐標(biāo)流量相加繪制而成的,見圖4。相加的原則,在同一坐標(biāo)揚(yáng)程下,將每臺泵性能曲線上相應(yīng)的橫坐標(biāo)流量相加繪制而成的,見圖4。圖4水泵并聯(lián)運(yùn)行特性圖4為兩臺相同性能泵并聯(lián)工作的總性能曲線與工作點(diǎn)。其中A為任意一臺泵單獨(dú)運(yùn)行時的工作點(diǎn),凈揚(yáng)程H0。B為兩臺泵并聯(lián)運(yùn)行時單臺泵的工作點(diǎn)。F2為兩臺泵并聯(lián)運(yùn)行時的總的性能曲線,在縱坐標(biāo)相同的情況下,橫坐標(biāo)為單臺泵性能曲線的兩倍。并聯(lián)運(yùn)行的工作點(diǎn)C點(diǎn)的流量QC=2QB,揚(yáng)程HC=HB。管網(wǎng)阻力曲線不變,只是兩臺泵并聯(lián)運(yùn)行時,流量為兩臺泵的流量和。兩臺相同性能的水泵并聯(lián)運(yùn)行有如下特點(diǎn):HC=HB>HA:即兩臺泵并聯(lián)運(yùn)行時揚(yáng)程相同,且一定大于單臺泵運(yùn)行時的揚(yáng)程。QC=2QB<2QA:即兩臺并聯(lián)運(yùn)行的總輸出流量為兩臺單泵輸出流量之和,每臺泵的流量一定小于單泵運(yùn)行時的流量。因此并聯(lián)運(yùn)行時的總流量,不能達(dá)到兩臺單泵的流量和。管網(wǎng)阻力曲線越陡,泵的性能曲線越平坦,并聯(lián)后的每臺泵的流量同單泵運(yùn)行時的流量比較就越小,并聯(lián)工作的效果越差。并聯(lián)運(yùn)行適合于性能曲線較陡,以及管網(wǎng)阻力曲線較平坦的場合。不同性能水泵并聯(lián)運(yùn)行的圖解分析關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程<或最大揚(yáng)程>相同,流量不同的水泵并聯(lián)運(yùn)行時的性能曲線圖5揚(yáng)程不同的水泵并聯(lián)運(yùn)行特性曲線F1為大泵的性能曲線,大泵單泵運(yùn)行時的工作點(diǎn)A1。F2為小泵的性能曲線,小泵單獨(dú)運(yùn)行時的工作點(diǎn)B1。F3為并聯(lián)水泵的總性能曲線,工作點(diǎn)C,揚(yáng)程HC,流量QC=QA2+QB2。關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程<或最大揚(yáng)程>相同,流量不同的水泵并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)HC=HB2=HA2>HA1>HB1:即兩臺泵并聯(lián)運(yùn)行時揚(yáng)程相同,且一定大于每臺泵單泵運(yùn)行時的揚(yáng)程。QC=QA2+QB2<QA1+QB1:即兩臺泵并聯(lián)運(yùn)行的總輸出流量為兩臺泵輸出流量之和;每臺泵的流量一定小于該泵單泵運(yùn)行時的流量。因此并聯(lián)運(yùn)行時的總流量,不能達(dá)到每臺泵單泵運(yùn)行的流量和。關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程<或最大揚(yáng)程>不同,流量也不同的水泵并聯(lián)運(yùn)行時的性能曲線如圖6所示。圖6揚(yáng)程不同、流量不同水泵并聯(lián)特性曲線F1為大泵的性能曲線,大泵單泵運(yùn)行時的工作點(diǎn)A1。F2為小泵的性能曲線,小泵單獨(dú)運(yùn)行時的工作點(diǎn)B1。F3為并聯(lián)水泵的總的性能曲線,工作點(diǎn)C,揚(yáng)程HC,流量QC=QA2+QB2。關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程<或最大揚(yáng)程>不同,流量也不同的水泵運(yùn)行特點(diǎn)HC=HB2=HA2>HA1>HB1:即兩臺泵并聯(lián)運(yùn)行時揚(yáng)程相同,且一定大于大泵單泵運(yùn)行時的揚(yáng)程HA1,更大于小泵單泵運(yùn)行時的揚(yáng)程HB1。QC=QA2+QB2<QA1+QB1:即兩臺泵并聯(lián)運(yùn)行的總輸出流量為兩臺泵輸出流量之和;每臺泵的流量一定小于該泵單泵運(yùn)行時的流量。因此并聯(lián)運(yùn)行時的總流量,不能達(dá)到每臺泵單泵運(yùn)行的流量和。兩泵并聯(lián)運(yùn)行時,揚(yáng)程低的水泵并聯(lián)運(yùn)行時流量減少更快。當(dāng)管網(wǎng)阻力曲線變化時,容易發(fā)生工作點(diǎn)在D的位置,該點(diǎn)的揚(yáng)程高于小泵的最大揚(yáng)程,造成小泵因揚(yáng)程不足不出水,嚴(yán)重時會發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。變頻泵與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行時的圖解分析變頻泵與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行時總的性能曲線,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(yùn)行特性曲線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)行時的工作點(diǎn)A1。F2為變頻泵在頻率F2時的性能曲線,變頻泵在頻率F2單獨(dú)運(yùn)行時的工作點(diǎn)B1。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=QA2+QB2。變頻泵與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行時的特點(diǎn)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。F2變化時,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=QA2+QB2都會隨著頻率F2的變化而變化。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,此時要警惕工頻泵過載。水泵運(yùn)行時的特例變頻泵與工頻泵并聯(lián)運(yùn)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(yùn)行特性曲線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)行時的工作點(diǎn)A1。F3為變頻和工頻泵并聯(lián)運(yùn)行時總的性能曲線。工作點(diǎn)C,揚(yáng)程HC=HB2=HA2等于每臺泵的揚(yáng)程,每臺泵的流量QA2=QB2,總流量QC=QA2+QB2=2QA2。即當(dāng)F2=F1=50Hz時,變頻泵與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行時的特性,與兩臺性能相同的泵并聯(lián)運(yùn)行時完全一樣。變頻泵與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行特例之二是F2=FMIN圖9變頻泵在最低頻率下與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行特性曲線F1為工頻泵的性能曲線,工頻泵單泵運(yùn)行時的工作點(diǎn)A1。F2=FMIN為變頻泵最低頻率下單泵運(yùn)行時的性能曲線。F3為變頻和工頻泵并聯(lián)運(yùn)行時總的性能曲線,工作點(diǎn)C不與F3相交,只與F1相交,揚(yáng)程HC=HA1=HA2=HB2等于每臺泵的揚(yáng)程,工頻泵的流量QA2=QA1,總流量QC=QA2=QA1,QB2=0。即當(dāng)F2=FMIN時,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)行時總的性能曲線,與單臺工頻泵運(yùn)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。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。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。水泵變頻不論是單泵運(yùn)行還是并聯(lián)運(yùn)行都有一個極端理想的特例,就是只有凈揚(yáng)程,沒有管網(wǎng)阻力?；蛘吖芫W(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(yùn)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(yùn)行特性曲線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為實(shí)際揚(yáng)程。圖10中不論怎樣調(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10中可以看出,隨著頻率的減少,微小的頻率變化ΔF會引起很大的流量變化ΔQ。性能曲線越平坦,ΔF引起的ΔQ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(guān)系為QA/<F1-FMIN>,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/<F1-FMIN>,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,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。FMIN越高,F1-FMIIN就越小,流量和功率隨頻率的變化就越大。結(jié)束語經(jīng)過以上分析,就可以解釋上面2.1-2.3當(dāng)中的一些問題了:水泵在30~35Hz以上時才能出水,是因?yàn)樗眯阅芮€的最高揚(yáng)程必須大于水泵的凈揚(yáng)程,或者大于并聯(lián)運(yùn)行的工頻泵的工作揚(yáng)程,該頻率對應(yīng)于水泵變頻運(yùn)行時的最低頻率F2=FMIN。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(jī)的電流和功率都非常小,此時水泵效率降到最低。一旦運(yùn)行頻率大于最低頻率,水泵出水后的流