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变频水泵的选型原理及计算

来源: 广西不锈钢水箱厂www.l7v.net www.w9n.net 发布时间:2014-03-01 阅读:
  • 变频水泵的选型原理及计算
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  • 现代哲学认为,世界上任何事物都是以系统的方式运作的。据作者观察分析,世界的一切事物发生展开过程其实都是目标跟踪过程,而其实现的模式就是自动控制学科中单回路负反馈控制过程。变频水泵也不例外,它是水路系统中的一个子系统,一个环节,它的任务是为系统的大目标服务的并和系统中的其他子系统协调工作,共同完成系统的总目标、任务。水系统的主要任务、目标是在保证水系统最不利环路的资用压力的前提下,最大限度地节省能量。如果满足不了这个要求,水系统最不利环路的资用压力达不到设计要求,那最不利环路中的空调设备将不能正工作,水系统的设计就是失败的。为了达到水系统这个目标、任务,无论是自来水供水系统还是空调水系统都确定为定压供水模式,其目标是非常明确的。定压供水系统可以说是在实际供水系统中最常见的。这点,从水系统的计算方法中也可以看出。通过系统分析,变频器在四个环节(传感器、控制器、执行器、被控对象)组成的水控制系统中担任“执行器"的角色。从自动控制理论可知,供水系统跟踪的目标是保证供水压力恒定。供水系统要得到良好的控制效果,传感器、控制器和执行器的性能必须和被控对象—水回路和水泵—的特性相匹配。
        1.相似定理导出的变频泵的流量、压力、功率和转速的关系式
        在泵内流动完全相似的条件下(即满足几何相似、运动相似和动力相似)可以推导出著名的流量、压头、功率和转速关系的方程式:
        流量和转速之间的关系:
        Q/Q。=(n1/no)=常数    (1)
        压头和转速之间的关系:
        P/P。=(n1/no)2=常数    (2)
        功率和转速之间的关系:
        W/Wo=(n1/no)3=常数    (3)
        式中:
        Q-变频水泵流量,L/s;
        P-变频水泵压头。kPa;
        W-变频水泵功率,kW;
        n-变频水泵转速,rpm
        下标为O的参数,为额定工况参数,下标为1的参数是转速为n。时的参数。
        (1)-(3)三个关系式是把水泵从水系统中孤立出来,从相似理论推导出的结果。但实际上泵是在水系统中运行的,它是水系统不可分割的一部分,因此从系统的观点来看,对泵完全相似要求的三个相似条件,是对整个系统而言的,而不是单单对泵的条件,否则泵也不可能处在相似工况运行,这点可以从泵特性曲线和水系统阻力特性曲线图1上可以看出,
     
        在泵的n。特性曲线上,唯有管路阻力特性曲线R。与n。的交点A。和额定工况点Ao完全相似,才有上述的3个关系式,其他任何点,比如n。和等压线P0的交点C就没有上面3个关系1如果不分泵的运行情况就宣称变频泵功耗和转速3次方成正比,这绝对是误导读者。在论述泵相似工况时是把泵从水系统中孤立出来分析的,实际泵是在水系统中运行的,它是水系统不可分割的一部分,从系统的观点来看,对泵完全相似运行的三个要求,是对整个水系统的,如果水系统不相似,泵也不可能处在相似工况运行.因此泵变频运行时阀门开度不能变动,才能保持相似。如果阀门在变频过程中开度变动,便破坏了水系统相似流动的基础——几何相似。系统不在相似工况运行,在水系统中工作的水泵当然电不可能在相似工况下运行。由系统分析可知,水系统在相似工况运行变频水泵的节能效果最好。判别变频泵
    是否在相似工况运行最简单的方法是用泵变频时阀门开度是否变化来衡量。阀门开度不变化,泵就在相似工况运行.节能效果最显著:阀门开度变化,泵就不在相似工况运行,节能效果变差,而且阀门开度变化越大,节能效果越差.
        常见的恒压供水系统,泵能耗只和流量的一次方成正比,是采用变频节能效果较差的、如果采用空调变风量送风系统最小静压控制法类似的思想,供水过程中不再保持恒压,而是根据大部分阀门是否全开了来判断供水压力是否继续下降.以求得系统的阀门节流损失最小。这种观点作者在文献[3]中有详细的论述.
        在定压供水系统中,变频泵在新工况点C的功耗和转速不再有简单的(3)式关系,而是和泵的当下流量Qc成正比,如公式(4)所示.当然Qc、wc和转速n。有隐函关系了.
      Wc=QcP0/102η   (4)
       式中:η—泵传动总效率。
       从水电比拟法中也可以理解定压水系统中变频水泵功耗。在水电比拟中,水压相当于电压,水流相当于电流,水阻相当于电阻。水压的含义是单位时间内向高水压处输送单位体积的水水泵做的功。电压的含义是单位时间内向高电压处输送单位电荷电池做的功。电压、水压都是能量的概念,本质上是相同的、我们知道,所有定电压的用电器,其功率只和电流一次方成正比。水路和此一样。这点还可以从因次分析中清楚地看出.
         2变频补水泵的选型分析
        补水系统中,补水泵的作用是将水上扬到一定的高度(循环系统定压点) 及克服补水管路系统的阻力。式(1) 中的Hcon 为补水点的循环系统定压值,这里用Ha 表示,补水系统管路特性表达式为H = Ha + S Q2 (6)
      当水泵转速下降时,特性曲线从曲线①下降为曲线③,管路特性曲线仍为曲线②,工作点从A 点移至B 点,流量从QA 减小为QB ,扬程从HA 减小至HB 。水泵的特性曲线①和③与管路特性曲线②均存在交点,能够正常向系统补水。当水泵转速继续下降,性能曲线下降为图2 中曲线④时,水泵的扬程HC 低于补水点的循环系统定压值Ha ,水泵无法向系统补水。从变频水泵的工作特性上分析,转速降低到一定的下限,有可能导致水泵扬程不足。但在变频补水泵的实际运行调节中,是否会影响系统的正常定压,还需进一步研究。离心式水泵在额定频率以下运行时,由于负载
    图2  补水泵特性曲线和管路特性曲线
    转矩减小较多,而电动机的有效转矩则减小较少,形成“大马拉小车”的状态,泵本身效率将下降。因此泵电动机转速调节范围不宜太大,通常最低转速不小于额定转速的50 % ,一般在70 %~100 %之间,当转速低于额定转速的40 %~50 %时,泵本身效率明显下降,是不经济的。在合理的调速范围(70 %~100 %) 内,水泵的扬程一般不会低于补水点的循环系统定压值Ha ,水泵可以向系统正常补水。即使在系统补水量较小的情况下,水泵运行频率设定低于正常范围,由于水泵一般是根据系统定压点的压力进行变频的,随着系统压力的降低水泵变频频率会自动升高,仍可向系统正常补水,系统压力可以维持在设定范围内。从以上分析可知,补水泵选型仍可按照非变频泵的选型方法选择水泵的流量及扬程等参数(一般设计选型时非变频泵的流量和扬程已考虑有10 %~20 %的富余量(锅炉房设计规范要求30~50 kPa 富余量) ) ,无需考虑因变频调速水泵扬程降低而提高扬程的富余量。
       3。在定压供水系统中对泵性能的要求
        在定压供水系统中,泵性能应和管网特性、控制策略相匹配才能取得满意的控制结果。变频器价格相对昂贵,因此在实际应用中.泵群都是采取“一变多定”的配置方案n经过分析.要完成泵群“一变多定”省钱的配置方案,通常在选择泵性能时有以下一些考虑。
     
        3.1完全满足¨一变多定"配置方案要求的方案,
        经分析,完全满足”一变多定”配置方案要求的,只有具有恒流特性的容积式水泵才可以。如图2,n0为容积泵是额定工况特性曲线,n。、n2为容积泵变转速时的特性曲线,由图中可以看出,容积泵具有恒流特性的。当管网特性由R0变化到R.时,在控制上很容易确定开一台定流量泵和一台变频泵来适应新的工况点流量的要求。但是容积泵的效率非常低,在水系统中若采用容积泵输送水来满足“一变多定"配置方案的要求,则是完全背离了采用变频泵进行节能的初衷,因此,这个配置方案不能采用。
        3.2高性能离心泵的变频控制方案
        采用了三元流动、进口导叶等等先进的技术,离心式水泵的特性曲线非常平坦,
    高效率的工作区域很宽,这正是水泵生产厂家和用户追求的。对于定压供水系统的
    高效离心泵机群如果也采用“一变多定”配置的控制方案,则会引起一些问题。图3是泵特性曲线图,从这个图上可以很容易分析出,在定压供水系统中,变频泵新的工况点也就是变频泵特性曲线和等压线交点,因泵的特性非常平坦,变频泵的变频范围非常小,且新工况点因供水压力小的波动(这在供水系统中非常正常的)而变
    化剧烈,工况点极不稳定,虽然在控制中可以采用软件滤波的方法改善不稳定的情况,但变、定水泵配置方案运行匹配较为困难,节省的能量很有限却是肯定的,这和采用变频节能控制的初衷也是相违背的。因此对于实际工程中的高性能离心泵机群,所有泵都进行变频控制才是合理的,如著名的德国WI10公司的MHIE、MVIV系列变频恒压多泵并联供水系统,多台泵全部采用变频控制,以避免“一变多定”运行匹配困难的问题。如果水系统尽量采用“一变一备”的配置,用一套变频器,切换控制两台水泵,同时间只有一台泵处于变频运行,那就不会遇到“一变多定”运行匹配困难的问题,同时投资也很节省,这是变频泵水系统设计中一种可行的方法
        3.3在各支流管路上安装小的变频泵代替阀门以最大限度地减少节流损失的方案。
        如果空调系统只有一台空调机,用小的变频泵代替阀门,以空调机的送风温度或以空调机的出水温度来控制变频泵的转速,是可以取得满意的节能效果的。然而对于多台并联运行的空调机水路中的小变频泵,各泵也相当于并联运行。因为各空调机的负荷不同,空调机出水压头也不尽同,压头高的水就有可能通过压头低的泵反流,产生各空调机的调节相互干扰。为了避免这种情况,各空调机出水口管路上必须加装恒压水阀,以抹平各空调机的出水口压力的差异,使回水干管的压力相同。不过,这种配置增加了系统的复杂性,并在恒压阀上也产生一定的节流损失1

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