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1、风机水泵压缩机变频调速节能技术讲座（六）/第二讲 水泵的并联运行分析（2）作 者：国家电力公司热工研究院自动化所 徐甫荣2.1 水泵并联运行的一般情况水泵并联运行的主要目的是增大所输送的流量。但流量增加的幅度大小与管路性能曲线的特性及并联台数有关。图2-4所示为两台及三台性能相同的20sh-13型离心泵并联时，在不同陡度管路性能曲线下流量增加幅度的情况，从图5可见，当管路性能曲线方程为hc=20+10q2时(q的单位为m3/s)，从图中查得：一台泵单独运行时：q1=730l/s (100%)两台泵关联运行时：q2=1160l/s (159%)三台泵并联运行时：q3=1360l/s (186%)
2、但当管路性能曲线方程为hc=20+100q2时(q的单位为m3/s)，从图2-4可查出：一台泵单独运行时：q1=450l/s (100%)二台泵并联运行时：q2=520l/s (116%)三台泵并联运行时：q3=540l/s (120%)图2-4 不同陡度管路性能曲线对泵并联效果的影响比较两组数据可以看出：管路性能曲线越陡，并联的台数越多，流量增加的幅度就越小。因此，并联运行方式适用于管路性能曲线不十分陡的场合，且并联的台数不宜过多。若实际并联管路性能曲线很陡时，则应采取措施，如增大管径、减少局部阻力等，使管路性能曲线变得平坦些，以获得好的并联效果。一般的供水系统都采用多台泵并联运行的方式，并
3、且采用大小泵搭配使用，目的是为了灵活的根据流量决定开泵的台数，降低供水的能耗。供水高峰时，几台大泵同时运行，以保证供水流量；当供水负荷减小时，采用大小泵搭配使用，合理控制流量，晚上或用水低谷时，开一台小泵维持供水压力。多台并联运行的水泵，一般采用关死点扬程(或最大扬程)相同，而流量不同的水泵。这些泵并联运行时，每台泵的出口压力即为母管压力，且一定大于每一台泵单泵运时的出口压力(或扬程)：(管道系统不变)hn=ha2=hb2=hc2ha1、hb1、hc1并联运行泵的总出口流量为每台泵出口流量之和，且每台泵的流量一定小于该泵单泵运行时的流量：(管道系统不变)qn=qa2qb2qc2qa1qb1qc
4、1若并联运行的泵的扬程不同，而且流量也不同时，则在并联运行时扬程低的泵的供水流量会比单泵运行时减小很多。当管网阻力曲线变化时，容易发生不出水和汽蚀现象。母管制运行的水泵群的母管压力可由下式求出：图2-5 两泵并联及并联性能曲线(h-qv)并2.2如何作出并联运行水泵的性能曲线(h-qv)或(p-qv)两台或两台以上风机(水泵)向同一压出管路压送流体的运行方式称为并联运行，如图2-5(a)所示。水泵并联运行的基本规律是：并联后的总流量应等于并联各泵流量之和；并联后产生的扬程与各泵产生的扬程都相等(母管压力)。因此，水泵并联合成后的性能曲线(h-qv)并或(p-qv)并的作法是：把并联各泵(或风机
5、)的(h-qv)或(p-qv)曲线上同一扬程(或全压)点上流量值相加，以图2-5(a)两台泵并联为例，先把这两台泵的性能曲线(h-qv)i和(h-qv)a以相同的比例尺绘在同一坐标图上，然后把各个同一扬程值的流量分别相加，如图2-5(b)所示，取扬程值为h、h、h、，对应于(h-qv)i和(h-qv)a，上分别为1、1、1和2、2、2取qv1+ qv2、qv1+ qv2、qv1+ qv2得3、3、3连接3、3、3各点即得合成后泵并联性能曲线(h-q)并，同法可得风机并联性能曲线。2.3当并联水泵中的一台进行变速调节时，如何确定并联运行工况点如图2-6 所示，i、ii两台性能相同的泵并联运行。但
6、泵i与泵ii有一台为变速泵，另一台为定速泵。当变速泵与定速泵以相同的额定转速运行时，i和ii的并联性能曲线(h-q)并为iii，并联运行工况点为m。但当变速泵的转速降低时，并联性能曲线变为如图2-6中的虚线所示，其并联运行工况点也相应地变为m、m、从图2-6 可以看出，当变速泵的转速降低时，变速泵的流量减小，但定速泵的流量却增大。当变速泵的转速降低到某一转速值时，其输出流量为零，这时并联运行实际上相当于一台定速泵单独运行。若变速泵转速进一步降低，且变速泵出口管路又未设置逆止阀时，就会出现定速泵部分流量向变速泵倒灌，这种现象在实际上是不容许产生的。从图2-6可见，当变速泵的转速由额定转速降低到该
7、泵输出流量为零的转速时，定速泵的流量将由qn增大到qb，而扬程将由hn减小到hb，这可能会导致定速泵产生过载或泵内汽蚀。为防止定速泵的过载和汽蚀，可在定速泵出口管路设置调节阀，必要时控制其流量。如图2-6所示，当静扬程约为额定扬程的20%左右时，qb约为额定流量的70%，hb约为额定扬程的60%，工频泵超载约20%；此时变频泵的转速约为额定转速的78%(频率为39hz)左右，则其中心调节转速(50%流量)约为额定转速的86%(频率为43hz)，节电率大约为25%左右。图2-6 两泵并联其中一台转速降低时并联运行工况点的变化变速泵在b点运行，虽然已经不出水了，但是还要消耗空载功率，很不经济；此时
8、的转速nb只是最低转速，不能在节能计算时作为调节转速使用，而应以不同流量时的转速为依据，或者以中心调节频率(50%流量时的转速)为依据，注意：由于水泵系统静扬程的存在，中心调节频率(转速)不是最低转速与额定转速的平均值，而应取50%流量时的频率(转速)。如图2-7所示，当静扬程约为额定扬程的20%左右时，qb约为额定流量的70%，hb约为额定扬程的60%，；此时变频泵的最低转速约为额定转速的78%(频率为39hz)左右，而其中心调节转速(50%流量)约为额定转速的86%(频率为43hz)。图2-7 多泵并联其中一台转速降低时并联运行工况点的变化当定速泵的数量增加，b点的扬程hb将升高，最低转速
9、nb也将升高，变速泵的调速范围变小，调节效果及节能效果变差。一般定速泵与变速泵的比例达到3：1时，采用变速泵已无多大意义了，而此时往往还有一台泵是采用起/停调节的，此时采用变速泵就更无什么意义了！见图2-7。图2-8 变频泵与工频泵并联运行特性曲线如图2-7所示，当静扬程约为额定扬程的20%左右时，qm约为额定流量的85%，hm约为额定扬程的80%，工频泵超载约20%；此时变频泵的转速约为额定转速的89%(频率为44.5hz)左右，则其中心调节转速约为额定转速的93.6%(频率为46.8hz)，节电率大约为10%左右，也就是所需消耗的电功率为采用阀门调节时的90%。若第三台泵是采用起/停调节，
10、起/停比为3/2的话，则反而费电30%！所以在有三台以上泵并联运行时，只改一台变频泵是没有什么意义的！图2-9 变频泵在50hz时与工频泵并联运行特性曲线2.4静扬程(或静压)对调速范围的影响供水系统的静扬程hst，即供水母管的最小压力，(水泵在静扬程下消耗的功率称为空载功率：在流量为零时，水泵所消耗的最大功率)。十分明显的是，静扬程越高，空载功率所占的比例越大，调速范围越小，调节转速的节能效果就越差。静扬程可由水泵进水口和出水口的落差形成，也可由管网阻力曲线形成，也可由用户要求的供水压力来决定。(如锅炉给水泵，必须大于汽包压力才能进水。)当然也可由变/定水泵并列运行的定速水泵的出口压力造成！
11、2.5变频泵与工频泵的并联运行分析2.5.1变频泵与工频泵并联运行时总的性能曲线，与关死点扬程(最大扬程)不同，流量也不同的水泵并联运行时的情况非常类似，可以用相同的方法来分析(见图2-8,2-9)(1)f1为工频泵的性能曲线，也是变频泵在50hz下满负荷运行时的性能曲线(假定变频泵与工频泵性能相同)，工频泵单泵运行时的工作点a1。(2)f2为变频泵在频率f2时的性能曲线，变频泵在频率f2单独运行时的工作点b1。(3)f3为变频和工频水泵并联运行的总的性能曲线，工作点c，扬程hc，流量qc=qa2qb2。图2-10 变频泵在最低频率下(f=fmin)与工频泵并联运行特性曲线2.5.2 变频泵与
12、工频泵并联运行时的特点(1)f2不仅仅是一条曲线，而是f1性能曲线下方偏左的一系列曲线族。f3也不仅仅是一条曲线，而是在f1性能曲线右方偏上的一系列曲线族。(2)f2变化时，f3也随着变化。工作点c也跟着变化。因此变频泵的扬程hb2，流量qb2，工频泵扬程ha2，流量qa2，以及总的扬程hc= hb2= ha2，和总流量qc=qa2qb2都会随着频率f2的变化而变化。(3)随着变频泵频率f2的降低，变频泵的扬程逐渐降低。变频泵流量qb2快速减少；工作点c的扬程也随着降低，使总的流量qc减少；因此工频泵的扬程也降低，使工频泵流量qa2反而略有增加，此时要警惕工频泵过载。2.5.3变频泵与工频泵并
13、联运行特例之一，频率f= f1=50hz (1)f1为工频泵的性能曲线，也是变频泵f2= f1=50hz下满负荷运行时的性能曲线(假定变频泵与工频泵性能相同)，工频泵和变频泵单泵运行时的工作点a1。(2)f3为变频泵和工频泵并联运行的总的性能曲线，工作点c，扬程hc= hb2= ha2等于每台泵的扬程，每台泵的流量qa2=qb2，总流量qc=qa2qb2=2qa2。即当f2= f1=50hz时，变频泵与工频泵并联运行时的特性，与两台性能相同的泵并联运行时完全一样。2.5.4变频泵与工频泵并联运行特例之二，f2=fmin 在图2-10中：(1)f1为工频泵的性能曲线，工频泵单泵运行时的工作点a1
14、。(2)f2=fmin为变频泵最低频率下单泵运行时的性能曲线。(3)f3为变频和工频泵并联运行的总的性能曲线，工作点c不与f3相交，只与f1相交，扬程hc=ha1= ha2= hb2等于每台泵的扬程，工频泵的流量qa2=qa1，总流量qc=qa2=qa1，qb2=0。图2-11 没有管网阻力时变频泵与工频泵并联运行特性曲线即当f2=fmin时，变频泵的扬程不能超过工频泵的扬程，因此变频泵的流量为零。变频泵与工频泵并联运行时总的性能曲线，与单台工频泵运行时的性能曲线相同，变频泵虽然没有流量输出，但仍然要消耗一定的功率。(4)在此运行状况中，变频泵的效率降到最低，因此变频泵最好不要工作在这种工况中
15、。(5)在这种特例中，变频泵极易产生汽蚀现象，易造成泵的损坏，解决的办法是将再循环阀打开，使泵保持一定的最小流量，但这样做会使泵的能耗增加。水泵变频不论是单泵运行还是并联运行都有一个极端理想的特例，就是只有静扬程，没有管网阻力，或者管网阻力与净扬程相比可以忽略，则管网阻力曲线可以看成是一条与净扬程点平行的一条直线。水泵将水通过粗管道垂直向上打入一个开口的蓄水池就是属于这种情况。电厂锅炉给水泵系统中，由于给水压力极高，管网阻力相对较小，因此采用变频运行时也可以看成属于这种情况。(见图2-11)f1为变频器最高运行频率性能曲线。工作点a， f2和f3为变频运行性能曲线。h0为静扬程，也是实际工作扬
16、程。图2-11中不论怎样调节频率，扬程都恒定不变，只是流量变化。水泵的输出功率只随流量的变化而变化。从图2-11中可以看出，随着频率的减少，微小的频率变化f会引起很能大的流量变化q。性能曲线越平坦，f引起的q就越大。因此频率越低，流量越小时这种变化就越大。所以说频率与流量之间的关系为qa/(f1fmin)。是一种非线性的很难说是几次方的关系。由于功率与流量成正比。功率与频率的关系为h0qa/(f1fmin)，也很难说与频率是几次方的关系。在这种情况下进行变频运行时，流量不宜太小，以防止微小的频率或转速的变化引起流量较大的变化，造成水泵流量不稳定(水击)而损坏水管。fmin越高，f1fmin(调
17、速范围)就越小，流量和功率随着频率的变化就越大。2.6高性能离心水泵群的变频控制方案2.6.1恒压供水的控制特点供水控制，归根结底，是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是供水系统的基本控制对象，但流量的检测比较困难，费用也较高。考虑到在动态供水情况下，供水管道中水的压力p的大小与供水能力和用水需求之间的平衡情况有关：当供水能力大于用水量时，管道压力上升；当供水能力小于用水量时，则管道压力下降；当供水能力等于用水量时，则管道压力保持不变。可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在供水压力的变化上。从而压力就成了用来作为控制流量大小的参变量，也就是说，保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了
18、使供水能力和用水需求处于平衡状态，恰到好处地满足了用户的用水要求，这就是恒压供水所要达到的目的。目前一般的供水系统，也都采用了多泵并列运行，大小泵搭配，以及采用泵的台数调节等经济运行方式，其运行的经济性也很好；在此基础上进行变频调速节能改造，其节能潜力已不是很大了，对于这一点应当有一个清醒的认识，不要过分夸大变频调速的节能效果，否则将适得其反！2.6.2高性能离心泵的变频控制方案。高性能离心式水泵由于采用了三元流动，进口导叶等先进技术，离心式水泵的特性曲线已经做得非常平坦，高效率的工作区域很宽，这也正是水泵生产厂家努力追求的目标。但是这样的水泵在定压供水工况下，其调速的范围很小。供水系统的静扬
19、程越大，也就是空载功率所占的比例越大，水泵特性越平坦，调速范围就越小，调节转速的节能效果也就越差。对于定压供水系统的高效离心水泵群如果采用“一变多定”配置的控制方案，则会引起一些问题。图2-11是定压供水系统中变频水泵的调速特性曲线图，从图中容量看出，在定压供水系统中，变频水泵新的工况点也就是变频泵特性曲线和等压线的交点。因水泵的特性曲线非常平坦，变频器的调速范围非常小。且因为供水压力小的波动(这在供水系统中是很常见的)。新的工况点会发生剧烈变动，工况点极不稳定，虽然在控制程序中可以采用软件滤波的方法改善不稳定的情况，但变、定速水泵配置方案运行匹配较为困难，且节能效果有限却是肯定的，这也是和采
20、用变频节能控制的初衷相违背的。因此对于实际工程中的高性能离心泵机群，所有的运行泵都采用变频调速控制才是最合理的。如果出于经济原因的考虑，调速泵的台数应是最常开泵的台数，其它泵则采用工频备用。如果还要减少调速泵的台数的话，则一定要使扬程最高、流量最大的泵调速运行。2.6.3变、定水泵并列运行在实际工程中，考虑到投资的可能性和运行工况的必要性，也常设计变、定水泵的并列运行方式，但应考虑以下方面的因素。首先，在满足最大设计水量的基础上，尽量使调速高效特性曲线接近系统的特性曲线，也就是说，尽量将各种调速泵组合的高效区能套入出现机率最高的工作段或点上。调速水泵的台数，应是全年内运行工况中开泵运行时间最长
21、的台数，而备用泵则采用工频定速泵。当一台调速泵出现故障时，可以允许一台工频定速泵运行，其综合效率会稍有降低，而扬程则会有所增加。在变、定速泵并列运行时，供水工作压力应保证定速泵工作在高效区，以提高定速泵的效率。并列泵组中，变频调速泵的台数越多，节能效果越好。在多泵并列供水系统中，只上一台变频调速泵的效果不大，且很难匹配。必须只上一台时，也要选扬程最高，流量最大的那一台，其效果会较好些。在多台调速泵并列运行时，所有的调速泵应在同一转速下运行；对于关死点扬程不同的泵，则应保证各泵的出口扬程(压力)基本一致，这时的转速就不一样了，要进行折算，就不容易匹配了。作者简介徐甫荣(1946-) 男 1970年毕业于西安交通大学电机工程系发电厂电力网及电力系统专业，后在西安电子科技大学攻读硕士研究生。毕业后国家电力公司热工研究院自动化所工作，任总工程师，教授级高工，现为深圳市科陆变频器公司工程技术总监，享受国家特殊津贴的专家。主要从事火电厂热工自动化和交直流电机调速拖动及节能技术的研究工作，在国内外各类学术刊物上发表论文五十余篇，专著“高压变频调速技术应用实践”等两本。参考文献(略)(未完待续) （注：素材和资料部分来自网络，供参考。请预览后才下载，期待你的好评与关注！）