劉益萱

　　【摘要】 本文討論了水泵供水系統調速節能的原理，介紹了幾種調速節能方式，給出了水泵調速節能設備的轉速、范圍、臺數和效果的有關計算方法。
　　【關鍵詞】 水泵 調速 節能

1 前言

　　據統計，給水工程中能耗費占供水成本的30～70％，水泵的能耗費占總能耗費的90％左右。實際運行中，水泵的效率大多數不足60％，泵站的綜合效率不足50％，存在著較大的能源浪費。
　　在能源供應緊張的今天，工程設計中運用水泵供水節能技術，正確地進行泵站設計，使水泵能經常高效運行，將具有重大經濟意義。
　　水泵把水從水源中取出送至用戶或凈水廠；把凈化的水送至供水管網；在長距離輸水中將水加壓；在分壓供水系統中增加管網的壓力；在用水高峰季節調節管網供水量；在工業循環供水系統中提升冷卻水和補充新鮮水等。按照功能劃分，水泵在供水系統各環節中構成取水泵站（一級泵站）、配水泵站（二級泵站）、加壓泵站、調節泵站、循環泵站等。可以說水泵站是供水系統中的樞紐，水泵是這樞紐中的心臟。對于水泵的選型、在系統中的運行情況與節約能源、降低成本、提高經濟效益密切相關。

2 選泵方法

　　水泵的選型是根據所需流量、揚程及其變化規律，同時考慮水泵經常供水時能高效運行確定。
　　一級泵站、加壓泵站是按最高日平均時用水量設計，滿足最高日供水量與揚程來確定泵型及臺數。二級泵站按供水區逐時用水量變化設計，滿足最高日最高時供水量與揚程來確定泵型及臺數。
2.1 取水泵的選擇
　　在一級泵站選泵的揚程中，對水源取用設計低水位。實際上水源出現低水位的機率小，大多數時間是高于這個低水位的，造成選泵揚程高于大多數時間所需要的揚程。在水位變幅大的水源中，這一因素的影響更大。對選泵所用的最高日水量來說，在一年之中最高日水量出現的天數往往只占百分之幾。大多數時間低于選泵所用的最高日水量。輸水管中的水頭損失是隨水量的變化成平方關系變化。顯然，在大多數時間里，系統上所需揚程和水量皆小于選泵時的揚程和水量。
2.2 供水泵的選擇
　　二級泵站供水管網的用水量不是一個固定值。是逐年、逐月、逐日、逐時地變化著的。管網的水頭損失也是隨水量的變化成平方關系變化，管網所需的水壓也隨水量的變化而變化。選泵中的揚程和水量采取以點兼面、以大兼小的取值方法，不僅增加了初期設備費，也因為水泵長時間的低效率運行造成能量浪費，在經濟上是不允許的。
　　對于復雜的管路，當不能準確地求出管路特性曲線時，是無法選擇合適的泵型的。選泵參數不當，泵不可能高效運行。
2.3 水泵的配置
　　一般離心泵的效率為80％左右，選型時往往考慮設備在使用中挖潛，選泵參數留有裕量，造成投產初期水泵低效率運行。即使初期使用小泵運行，也存在效率低的問題。
　　對于揚程、水量變化較大的工況，若使水泵在大多數時間高效運行，實際是做不到的。
　　鑒于上述各種情況，選泵時，在滿足最大工況的前提下，在用水量和所需水壓變化較大的情況下，可選用多臺性能不同的水泵組合運行，但臺數多、型號多、管理麻煩。也可考慮多臺同型號水泵并聯運行與單臺水泵獨立運行相結合的方式，選泵時應選擇在并聯運行時每臺水泵的工況點接近最高效區的左邊界，水泵在單獨運行時，工況點向右移動，仍可處在高效區運行，這樣選擇的結果，可促使水泵在整個工況變化范圍內的運行效率都較高。這種方式，同樣也因臺數多，管理麻煩。因此，在水泵供水系統中，采用其他多種節能措施是非常必要的。

3 水泵適應流量、揚程變化的調節方式

　　按照最大工況選泵，與實際運行工況相差較大，降低水泵效率。為此，運行中根據工況中流量與揚程的變化進行水泵運行工況的調節，常用的調節方式有下列幾種。
3.1 流量調節
3.1.1 減少閥門的開啟度
　　這是生產中常采用的調流方式。當水泵的工作揚程高于管路所需要的水壓時，為滿足管路的要求，減小水泵出水閥門的開啟度，使閥門增加的水頭損失恰好等于某供水量時水泵揚程與管路所需壓力之差，改變管路的特性來符合相應供水量時水泵的揚程。該調節方法使大量的電能損失在減少閥門開啟度而產生的阻尼上，使工況在水泵的特性曲線上向左移動，降低了系統運行效率，多耗了電能。
3.1.2 多臺水泵并聯運行
　　如前所述，在用水量變化較大的供水系統中，設置多臺同型號或多臺不同型號的泵并聯工作，通過調節水泵的臺數進行流量調節，以適應管網對水量變化的要求。這種運行方式，臺數不能太多，這不僅因臺數太多帶來管理麻煩，降低運行效率，而且會增加水泵的開停次數，縮短設備的使用壽命，這種方式不能連續調節流量變化，也不能用來調節時變化。見圖1

3.2 水泵特性調節
3.2.1 調節水泵葉片的安裝角度
　　在安設軸流泵或混流泵時，可利用這種泵的葉片可調性，使其工作參數隨葉片安裝角而變化，從而改變水泵的特性。水泵葉片的安裝角度增大，流量增大，水泵的效率也增高。但泵站的綜合效率不一定高，要經過計算確定。其調節方式有全調節和半調節兩種，全調節在水泵運行中利用調節機構進行調節。半調節是在水泵停止運行時，進行葉片安裝角度的調節。
3.2.2 車削葉輪直徑或更換不同直徑的葉輪
　　改變葉輪直徑可改變水泵的性能。根據流量的變化，計算出水泵高效運行時滿足工況要求的葉輪直徑，如果工況長期穩定，只車削一次即可。如果工況是隨著季節的變化而變化的，可配備不同直徑的葉輪，進行更換。這種方式受葉輪直徑變化范圍的限制。用這種方式代替調節閥門開啟度的流量調節方式，可節省能耗，但只適用于變化不太大的工況。
3.2.3 調節轉速
　　利用改變電動機的轉速或改變電動機和水泵的速比可改變水泵的特性，使之適應供水系統工況變化幅度較大的情況。實踐證明，調節轉速的方法具有良好的節能效果，可簡化和便于泵房設備的調度，易于實現自動控制。

4 水泵的調速特性及節能原理

　　上述各種調節方式中，用調節水泵的轉速，是降低能耗的最好方式。原因是在改變水泵的轉速時且轉速變化在±20％范圍內，保持泵體內部的流動狀態相似的話，那么泵體內的水流速度與轉速成正比，流量與轉速比成正比，揚程與轉速比的平方成正比。軸功率與轉速比的立方成正比。
　　Q＝Q₀（n／n₀） （1）
　　H＝H₀（n／n₀）² （2）
　　N＝N₀（n／n₀）³ （3）
　　式中：n₀為額定轉速，Q₀為額定轉速時的流量，H₀為額定轉速時的揚程，N₀為額定轉速時的軸功率，為調速后的轉速，Q為n轉速時的流量，H為n轉速時的揚程，N為n轉速時的軸功率。
　　由式（1）、式（2）換算后可以得到下式
　　H ＝ (H₀/Q₀²2)Q²
　　式中 H是水泵運行中任何一工況點的揚程
　　Q是水泵運行中任何一工況點的流量
　　當在最佳工況點時，H₀／Q₀是特定條件為H₀、Q₀時的特定常數。指額定轉速時的揚程與流量之比。
　　由式（4）可以看出，它是以座標原點為頂點的拋物線方程，在這條拋物線上的各點工況相似，可稱為相似工況拋物線，在轉速變化為±20％的范圍內，泵的效率可基本不變，也叫高效率拋物線。其原理見圖2、圖3

　　圖2是凈揚程不變的單泵調速節能原理圖。Q－H曲線為單泵額定轉速為n₀時的特性曲線，Q＇－H＇曲線為單泵轉速為n時的特性曲線，Q－Σh曲線為管路特性曲線，A點是水泵選泵的工況點，A點對應著Q_A、H_A、η_A，是選泵的主要參數。由管路特性曲線Q－∑h決定水泵實際運行中的工況點必定在水泵特性曲線的最佳工況點0左右移動。若管網要求滿足A’點的工況，對應的參數是Q_A＇、H_A＇、η_A＂，由圖2見到η_A＂≤η_A，效率降低了。根據式（4）及Q_A＇、H_A＇二參數，可以繪制出相似工況拋物線O_B，交Q－H曲線于B點，又得到Q_BH_Bη_B三參數，根據相似工況下水泵的流量與轉速比成正或揚程與轉速比的平方成正比得到在A’運行時，計算出水泵的轉速n，＝（Q_A＇／Q_B）n₀，水泵在n轉速下運行，就可以得到滿足工況Q_A＇、H_A＇運行時的效率η_A＇。η_A＇＞η_A＂。這就是改變轉速后，還能高效運行的原理。
　　圖3是凈揚程變化單泵調速節能原理圖。
　　Q－H曲線為額定轉速n0時的水泵特性曲線，Q＇－H＇曲線為轉速n時的水泵特性曲線，Q－∑h曲線為管路在凈揚程為h時的特性曲線，Q＇－∑h＇曲線為管路在凈揚程為h’時的特性曲線，A點是水泵運行的最佳工況點，A點對應著Q_A、H_A、η_A三參數，是選泵的主要參數；實際上水泵運行中經常出現的凈揚程小于h，為h＇，在h＇時的水泵工況點為B，水泵的運行效率由η_A降到η_B，此時增加了能耗。若把水泵的轉速由n₀調節到n時，根據上述調速后水泵的特性變化公式，可以算出Q＇－∑h＇管路特性曲線上的任何一點的轉速，得到調速后的水泵特性曲線，Q＇－H＇，該曲線與Q＇－∑h＇曲線交點A＇，即滿足管路工況要求，又使調速后的水泵運行在高效點η_A’上。η_A＇＝η_A＞η_B。
　　從以上兩個原理圖可以看出，水泵調速之后，可以得到對應不同轉速下的新的最佳工況。不調速時，只有一個最佳工況點，調速后得到一條最佳工況線，不調速時有一條水泵運行最佳工況段，調速后得到一個牛角形的最佳工況面（一般調速范圍≯60％為宜）。這樣，水泵運行適應工況的范圍擴大了，水泵容易在最佳工況區運行，減少能耗。

5 常用的調速設備

　　目前我國在水泵調速中常用的調速設備有兩種，一種是在電動機和水泵之間加變速裝置，電動機轉速不變，主要有調速型液力偶合器和電磁轉差離合器兩種，另一種是改變電動機的轉速，主要有串級調速和變頻調速。
5.1 調速型液力偶合器
　　見偶合器原理簡圖（圖4）。

　　液力偶合器由帶有徑向葉片的泵輪、渦輪、泵外殼及控制流道充油度的導管組成。該設備利用電動機的動力，使流入泵輪內的液體機油產生的動能并通過泵輪和渦輪之間油的傳遞獲得功率的傳遞。泵輪將輸入的機械能變為油的動能和勢能，渦輪接受油的動能和勢能再變成輸出的機械能，在兩輪間的油形成一環流，通過導管改變偶合器充油的環流量，就此改變了能量傳遞的大小，從而實現在電動機轉速恒定的情況下，以無級變化調節水泵的轉速。
　　這種調速設備在我國已被廣泛采用，其優點是操作簡便、易于實現自動控制、空載啟動、安全可靠、可長期連續工作，維修量少，能過載保護，節電效果明顯。缺點是傳動中有功率損失，設備本身有3％的能耗。
5.2 電磁轉差離合器
　　見電磁轉差離合器調速原理圖（圖5）。

　　該設備是60年代國外最常用的調速設備，我國也有多種異步電動機—電磁轉差離合器調速裝置。該電磁轉差離合器由電樞和磁極兩部分組成，電樞與電動機同軸連接，磁極在電樞內由鐵心和繞組組成，繞組由可控硅整流電源勵磁，當電動機帶動電樞旋轉時，電樞切割磁力線而感應出渦流來，渦流與磁極的磁場作用產生電磁力，此電磁力所形成的轉矩使磁極跟著電樞旋轉，從而帶動水泵轉動。只要改變勵磁電流的大小，就可以改變磁極轉速，也就是改變水泵的轉速。該調速設備結構簡單，價格便宜，調速精確，不足之處是低速運行時損耗大，效率低，一般多用于小型設備。
5.3 串級調速裝置
　　這是一種用于繞線式異步電動機的調速裝置，較理想的串級調速是通過在電動機轉子回路中引入附加電勢來調速，當改變附加電勢的大小，就可以改變電動機的轉速。目前比較廣泛采用的是可控硅串級調速，這種調速方式節電效果明顯，不足之處是調速過程中，電動機功率因數降低，產生高次諧波污染電網。
5.4 變頻調速裝置
　　異步電動機的轉速n與電源頻率f成正比，與電動機極對數p成反比，見下式：
　　n＝（60f／P） （1－S）
　　式中S為異步電動機的轉差率，S＝n₁－n／n₁
　　從公式中不難看出：均勻改變電動機定子繞阻的電源頻率f，就可以平滑地改變電動機的同步轉速。電動機轉速變慢，軸功率就相應減少，電動機輸入功率也隨之減少，這就是水泵變頻調速的節能作用。為了保持調速時電動機的最大轉矩不變，需要維持電動機的磁通恒定，為此，要求定子繞組電壓也要作相應的調節，變頻調速器兼有調頻、調壓兩種功能，變頻調速器就是基于這個原理實現調速的。
　　變頻調速器具有轉差損失小，實現平滑無級調速，精度高，啟動電流小，容易實現生產過程的自動控制，容易安裝，操作簡單，調試方便等優點。

6 水泵站采用調速設備的有關計算

　　上述各種調速設備在水廠中都有選用，選用類型是根據管理水平、管理習慣、使用條件等因素確定。選用后有的水廠并沒有得到節電效果，得不償失。鑒于設備本身價格昂貴，選用它除了要做技術經濟比較之外，還需詳細計算選擇調速設備的必要性，所選調速設備的調速范圍、選擇調速泵的臺數，運行中適應工況變化的最佳轉速等。
6.1 泵站綜合效率計算
　　調速設備選型之后，為判斷供水系統是否應該采用調速設備，以及采用調速設備后是否提高效率，應對泵站進行綜合效率計算。綜合效率η綜合見下式：
　　η_綜合＝η_泵·η_傳·η_管·η_電·η_池 （6）
　　（設η_池＝1，忽略水池進出的水頭損失之差）
　　 式中 η_泵為水泵工作點效率
　　　　　η_傳為由傳動方式決定的傳動效率。查機械手冊得到
　　　　　η_管是管路輸出功率與輸入功率之比，經推導得簡化公式η_管＝H_凈／H_全
　　　　　η_電為電動機的效率，根據水泵的軸功率N軸及傳動效率算出電動機的有效功率
　　　　　N_效，再根據電動機的輸入功率，N入計算出電動機效率見下式：
　　　　　　　N_效＝N軸／η_傳
　　　　　　　η_電＝N效／N入
　　　　　　　η_傳＝1（水泵和電動機是直接傳動時）。
　　按η_綜合＝η_泵·η_傳·η_管·η_電計算出泵站的綜合效率。低于55％，應對泵站內各環節的效率進行分析，設法提高該泵站各個環節的效率。采用水泵調速是提高水泵站效率的辦法之一。選定調速型式之后，應再計算調速后的綜合效率是否提高。
6.2 調速泵的最佳轉速計算
　　在采用調速設備的供水系統中，調速設備的最佳轉速就是滿足管路工況要求時，水泵運行的最佳工況。這工況只有一個點，這個點是管路特性曲線與水泵最高效率拋物線的交點，在轉速的變化范圍為40％以內滿足管路特性曲線上任一工況，都能找到相應的較佳轉速。水泵的相似工況拋物線方程為：
　　H_調＝KQ_調²　　　　　(7)
　　管路特性曲線方程為：
　　H_調＝H_凈＋SQ_調²　　　(8)
　　解式(7)、式(8)的聯力方程得
　　Q_調＝(H_凈／K－S)^1/2 　　(9)
　　H_調＝(H_凈/H0-SQ₀²)^1/2·Q₀　　　(11)
　　H_調＝(H_凈/H0-SQ₀²)^1/2·H₀　　　(12)
　　將(11)代入Q_調／Q0＝n調·n0/Q0＝n0/(H₀-SQ₀²)^1/2·(H_凈)^1/2　　　(13)
　　當水泵選型之后，額定工況下的參數Q0、H0、N0都是常數，管路確定之后，管路的比阻S也是常數，即n₀/(H₀-SQ₀²)^1/2=C，顯然，C對于確定泵型及管路的泵房來說是個常數，故
　　n_調＝C·（H_凈）^1/2 　　　　　（14）
　　n_調就是水泵在高效運行時，對應任何一個凈揚程時的轉速，是水泵運行最佳狀態時的轉速，稱為最佳轉速，只有無級調速能夠實現。
　　多臺泵并聯時，C值按水泵并聯后的額定工況點參數計算。
　　如果凈揚程是變化的，那么最佳轉速也是變化的，運行中可根據凈揚程的變化，調至最佳轉速，使其高效運行。
6.3 水泵的調速范圍
6.3.1 以水泵最佳效率為限，確定調速范圍
　　針對不同的泵型應分別進行計算，一般認為調速比K_n應滿足下式時是高效運行的。
　　（H／H_左）^1/2＜K_n＞（H／H_右）^1/2
　　式中　H_右——在水泵額定轉速下，在Q－H特性曲線高效區的右側全揚程；
　　　　　H_左——在水泵額定轉速下，在Q－H特性曲線高效區的左側全揚程；
　　　　　H——水泵運行的全揚程。
　　可以看出K_n是水泵的最佳調速比。
6.3.2 調速泵與定速泵并聯運行時最小調速比（最大調速范圍）
　　當兩臺揚程相差過大的水泵并聯時，揚程低的水泵將不出水，不能并聯工作。同樣道理，當定速泵與調速泵并聯運行時，調速泵的調速比過小，也就是調速范圍過大，調速泵也將不能出水。調速泵的最小調速比Kn按下式計算。
　　K_n≮（H／H₀）^1/2式中 H₀——調速泵在額定轉速下Q＝0時的揚程；
　　　　 H——兩臺泵并聯運行時的全揚程。
　　可以看出，當定速泵與調速泵并聯運行時，調速泵的調速范圍受到限制。
6.3.3 以水泵的運行工況來確定的調速范圍
　　K_n＝（H_min／H_max ）^1/2
　　式中 K_n——調速比；
　　　　 H_max——對取水泵指水源最低水位時，最大取水量的全揚程；對配水泵及加壓泵來說，是最大水量時的全揚程。
　　　　 H_min——對取水泵來說是水源高水位時，最小取水量時的全揚程；對配水泵及加壓泵是指最小流量時的全揚程。
　　當兩臺泵并聯時，先算出這個調速比，再算最小調速比。如前者大于后者，可以考慮只用一臺調速泵，反之，必須調兩臺。
6.4 調速泵臺數的計算
　　前已述及，在供水量大的泵站，常采用多臺水泵并聯運行。如滿足工況要求，既節省投資又能高效運行的辦法是采用定速泵與調速泵配合運行。在工況用水壓變化不大的情況，調一臺可以滿足使用要求的話，以調速泵的調速運行為基礎，按流量增減量開停定速泵。這樣不但可以保證運行中對用水量變化的適應，還可提高水泵運行的效率。當工況變化大，超出并聯運行時一臺調速泵的調速范圍時，調速泵的臺數應當增加。究竟怎樣來確定調速泵的臺數呢？
　　當相同型號的水泵并聯運行，設定管路需要的最小供水量為Q，對應的用水壓力為H_min，水泵的特性曲線應由額定轉速n調至n_min時才能滿足工況最小供水量Q及對應的水壓力H_min。根據水泵的調速特性Q₀／Q＝n₀／n_min；H₀／H_min＝（n₀／n_min）²二式，可以導出H_min＝K·Q²及Q＝（H_min／K）^1/2，式中Q₀及H₀為額定工況時單泵或多泵并聯時水泵的參數。
　　n_min為水泵揚程調至H_min，流量調至Q時水泵的轉速。
　　式中K＝H₀/Q₀²，是額定工況下，泵的揚程與流量平方之比。
　　設Q_min為調速比為K_n時單臺泵的流量，K_n≥（H_min／H_左）^1/2是并聯運行的最小調速比。H左為多泵并聯時額定工況的揚程，取用水泵額定工況時高效區的左邊數值為好。由式Q＝（H_min／K）^1/2可知，需要調速的水泵臺數至少應為：
　　t＝（H_min／K）^1/2／Q_min
　　式中　K為同型號水泵并聯時額定工況下H₀/Q₀²值。
　　當并聯水泵型號不同時，則調速泵的臺數應滿足下式：
　　（H_min／K₁）^1/2＋（H_min／K₂）^1/2＋（H_min／K₃）^1/2＋……＋（H_min／K_i）^1/2≥Q
　　式中K₁K₂K₃…K_i分別為不同型號水泵額定工況時的H₀／Q₀²值，是個常數。
　　上式t為調速泵的臺數，如果在并聯水泵中選擇一臺大泵進行調速，可減少調速泵的臺數。效率比一般水泵高。
　　當工況用水量及水壓需要增加時，調節調速泵的轉速，使之增加，然后按用水量增加定速泵并全速運行。這樣在最高用水量時，調速泵與定速泵都將在高效運行。
6.5 調速節能效果計算
6.5.1 單臺泵調速節能計算（見圖6單泵調速節能計算草圖）
　　Q－H 為單臺泵特性曲線，Q－∑h為管路特性曲線，O’為水泵最佳工況點，A為選泵工況點，計算水泵轉速由n_調至n_B后的節能效果，也就是求出管路特性曲線中B點的調速后節電效果。
　　先求出管路特性曲線中B點的特性參數
　　根據B點的流量Q_B、揚程H_B，按相似原理做通過原點0的相似工況拋物線，交轉速為n時的Q－H曲線于C點，過C點做垂線得Q_c、η_c，根據相似工況下水泵的流量與轉速成正比關系，得到B點處的轉速n_B＝（Q_B／Q_c）n

　　轉速為n_B時水泵的軸功率為N_B
　　N_B＝Q_B·H_B·r／102η_c（KW）
　　式中 r——水的容重（kg／m³）
　　　　 Q_B——B點流量（m³／s）
　　　　 H_B——B點揚程（m）
　　　　 η_c——對應于C點水泵的效率
　　如果不采用調速設備，當管路要求滿足B點時，經常以減小水泵出水閥門的開啟度進行調節，此時，水泵的工作點為D，改變了管路特性，管路特性曲線如虛線所示，其參數為Q_B、H_D、η_B，泵在D點運行的軸功率N_D。
　　　　N_D＝Q_B·H_D·r／102；η_B（KW）（η_B＜η_c；H_D＞H_B）
　　N_D－N_B值即為調速后節約的功率。
　　根據用水量的日變化，可以算出一天節約的能耗。根據12個月的用水量變化曲線可以算出一年的節約能耗。
6.5.2 定速泵與調速泵并聯運行的節能計算
　　多臺定速泵與多臺調速泵并聯運行的節能計算要復雜的多，可仿上述方法分析得出。

參考文獻
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