变频调速泵流量调节范围初探.docx

变频调速泵流量调节范围初探陆民（湛江市自来水公司，广东湛江524001）摘要：根据应用现状和实践经验，对变频调速水泵在恒压供水时，流量调节范围的计算方法进行了初步探讨，并结合实例，从经济节能的角度介绍了变频调速水泵的选型方法。关键词：变频调速；水泵；节能；调节范围中图分类号：O59文献标识码：A文章编号：1008-6188（2004）03-0020-05水泵是城市给水系统的主要耗能设备。二级泵房的设计通常是按最高日、最高时的用水量和扬程设计的。除短时的高峰期用水外，在绝大多数工况下，管网所需扬程均低于最高扬程，使水泵的工作点移至高效区之外，造成了能量的浪费。为解决这个问题，众多水厂的二级泵房都运用不同型号的水泵组合，以适应用水量的变化，同时采用变频调速设备，扩大水泵的高效区范围，从而达到节能的目的。关于水泵的调速运行，许多文章曾进行过理论上的探讨，但对于在选泵中的实际应用，则很少具体研究。本文结合实践经验，对变频泵的流量调节范围的计算方法及其应用进行了初步探讨。1变频调速原理调速泵使用的变频器通常采用无速度传感器的矢量控制方式，它的基本控制思想是：分别对作为基本控制量的励磁电流和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上电压的频率，使励磁电流和转矩电流的指令值及检测值达到一致，从而实现矢量控制。[1]（P35）这种控制方式无需在异步电动机上安装速度传感器，因此对速度和转矩控制的响应迅捷。恒压供水系统是以满足用户水压恒定为目标进行工作的，通常将控制点设置在水泵出口，按该点的水压进行工况调节，间接保证最不利点的水压稳定。如图1，在n1转速下，水泵流量、扬程分别为Q1、H1，当用水量由Q1减小到Q2时，如果通过阀门控制，则压力沿n1曲线由H1升高到H2点，提高压力。如果通过改变水泵的转速来控制，即由转速n1减小到n2，则压力保持不变，仍为H1，没有压力升高带来的损失。这种特性表明，调节水泵转速，改变出水流量，使压力稳定在恒压线上，就能够实现恒压供水。水流进入离心泵闭式叶轮后，就经历着一种复合圆周运动。水流在叶槽内以速度W沿叶片流动，是液体质点对旋转叶轮（动座标系）的相对运动，其相对速度为W。同时，水流又有随叶轮一起做旋转运动的一个圆周速度u（动座标系统叶轮对静座标系统泵壳的运动速度），称为牵连速度。这两个速度合成液体质点对泵壳的绝对速度C。根据流体力学的相似理论，可以通过水泵叶轮在某一转速下的性能，换算出它在其他转速下的性能。水泵叶轮相似定律的基础是几何相似和运动相似：HH2H1`OQQQ21图1水泵出口恒压调速给水系统工作特性几何相似是指两个叶轮主要过流部分所有相对应的尺寸成一定的比例，对应角相等；运动相似是指两个叶轮对应点上水流的同名速度方向一致，大小互成比例。在几何相似的前提下，运动相似就是工况相似。图2为两台在相似工况下运行的水泵叶轮出口速度三角形，速度C的切向分速为Cu，径向分速为Cr。收稿日期：2003-06-11作者简介：陆民（1968-），女，广东湛江人，湛江市自来水公司工程师。n1n2第3期陆民：变频调速泵流量调节范围初探21由图2可以得出：C1／C2＝Cu1／Cu2＝Cr1／Cr2＝u1／u2＝D1n1／D2n2＝λ（n1／n2）式中，λ—任一线性尺寸的比例；D—水泵叶轮的外径。水泵流量Q＝ηvQT＝ηvFCr式中，QT—叶轮中通过的理论流量；ηv—水泵的容积效率；F—水泵叶轮的出口面积。C1W2C2W1Cr1Cr2从上述两式可推导出／Cr2）（F1／F2）而F＝πDbΦQ1／Q2＝（ηv1／ηv2）（Cr1Cu2Cu1u2u1图2相似工况下两叶轮出口速度三角形式中,b—叶轮的出口宽度；Φ—考虑叶片厚度而引起的出口截面减少的排挤系数。对于几何相似的叶轮Φ1＝Φ2。由上两式可得Q1／Q2＝λ3（ηv1／ηv2）（n1／n2）水泵扬程H＝ηhHT＝ηhuCu／g（1＋p）（1）式中，HT—水泵的理论扬程；ηh—水泵的水力效率；p—水流不均匀修正系数。对于两台相似水泵可假定相等，则有H1／H2＝ηh1u1Cu1／ηh2u2Cu2。由于在相似工况下运行，因此可得H1／H2＝λ2（ηh1／ηh2）（n1／n2）2因为轴功率N＝γQH／102η，所以N1／N2＝γQ1H1η2／γQ2H2η1而η＝ηhηvηm，式中，γ—液体的密度；η—水泵的总效率；ηm—水泵的机械效率。再将式（1）、（2）代入，可得N1／N2＝λ5（ηm2／ηm1）（n1／n2）3（2）（3）变频调速泵是以不同转速运行的同一台水泵，因此其尺寸是相同的，即λ＝1。实际中，调速泵在高效区运行，转数相差也不大，可近似地认为三种局部效率不变，根据式（1）、（2）、（3）可得到如下比例律：[2]（P21）Q／Q＝n／n，H／H＝（n／n）2，N／N＝（n／n）3。