楊俊武

1  簡(jiǎn)述

    鄭州市自來(lái)水總公司柿園水廠(chǎng)建廠(chǎng)已有五十年歷史，它擔負著(zhù)鄭州市西部地區的供水任務(wù)，日供水能力達四十余萬(wàn)立方米；送水泵站由于受輸出管路直管段短的影響，水流速度不穩定，單臺水泵準確計量流量很困難，調速水泵的流量計量也就更困難，該水廠(chǎng)供水量的計量采用出廠(chǎng)水的綜合計量方式。

    柿園水廠(chǎng)2001年從北京利德華福公司引進(jìn)了兩臺790kVA高壓變頻器，應用于送水泵站的15#和9#水泵機組，兩臺機組均由6kV三相異步電動(dòng)機拖動(dòng)，從而實(shí)現了出廠(chǎng)水的恒壓供給，改善了城市管網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )特性并使之趨于平滑，同時(shí)在節能降耗上也取得了相當大的經(jīng)濟收益。兩臺變頻機組在實(shí)際運行中，一臺設置為閉環(huán)運行，依據城市用水量的變化情況，實(shí)現出廠(chǎng)水的分時(shí)性恒壓供水，另一臺設置為開(kāi)環(huán)運行，依據運行頻率的高低，相當于供水量大小可調的水泵機組，兩臺調速機組配合運行。

2  變頻調速水泵應用中的理論依據

        (1)  變頻水泵機組在不同頻率下對應的轉速分析

    《電機學(xué)》公式：n₁=60f/p                                             (1)

                                        n=60f (1-s) /p                                     (2)

    式中：n1為電動(dòng)機的同步轉速，n為電動(dòng)機的實(shí)際轉速，f為頻率，p為極對數（不變），s為轉差率。

對于(1)式，同步轉速是頻率的函數；對于(2)式，調速后的實(shí)際轉速是頻率和轉差率的二元函數。變頻調速水泵機組的實(shí)際轉速主要取決于運行頻率的高低；對于出廠(chǎng)水恒壓供給時(shí)，實(shí)際供水壓力的波動(dòng)，對應著(zhù)實(shí)際用水量在變化，使轉差率上下波動(dòng)，也使轉速上下波動(dòng)。

        (2)  水泵的工作方式有自灌式和吸入式兩種方式，對于自動(dòng)化程度和供水安全性要求高的，裝有大型水泵機組的送水泵站，宜采用自灌式工作方式。采用自灌式工作方式的水泵機組，由于自身的結構特性，在啟動(dòng)前不需要引水；而采用吸入式工作方式的水泵機組，在啟動(dòng)前必須引水。圖1為送水泵站水泵及管路系統的簡(jiǎn)圖，屬于自灌式工作方式。取漸變流過(guò)水斷面的吸水井液面為1-1斷面，水泵進(jìn)口斷面為2-2斷面，它們的計算點(diǎn)分別取在自由液面與管軸上，選基準面在水泵進(jìn)口斷面的中心線(xiàn)上，Z₁=Z，Z₂=0；因水池面遠大于吸水管截面，故認為υ₁=0，P₁為大氣壓強，其相對壓強為0；運用《水力學(xué)》中的液體總流的伯利諾能量方程：

        Z₁+P₁/γ+υ₁²/2g = Z₂+P₂/γ+υ₂²/2g+ hw                            (3)

    式中：Z₁、Z₂分別為兩斷面的位置水頭，P₁/γ、P₂/γ分別為兩斷面的壓力水頭，υ₁²/2g、υ₂²/2g分別為兩斷面的速度水頭。

圖1  水泵及管路系統簡(jiǎn)圖

(1)   保持水位4.17米不變，15#機組控制為開(kāi)環(huán)運行，保持某一頻率恒定（轉速基本不變），9#機組控制為閉環(huán)運行，依次改變9#機組設定水壓值，分別測試f=47Hz和f=48Hz的情況，并記錄不同水壓下的數據，測試曲線(xiàn)如圖3所示。曲線(xiàn)f=47Hz在f=48z的上方，真空壓力值隨設定水壓的增加而增加。根據水泵的P-Q特性曲線(xiàn)，流量與水壓成反比，當設定水壓升高時(shí)，流量減少，流速υ2減少，根據公式 (4)， (5)得，進(jìn)水管阻也減小，真空壓力值將增加。

(2)    保持水位4.15米不變，9#機組控制為閉環(huán)運行，保持某一設定水壓恒定，15#機組控制為開(kāi)環(huán)運行，依此改變15#機組運行頻率，分別測試0.384MPa和0.404MPa的情況，并記錄不同頻率下的數據，測試曲線(xiàn)如圖4所示。0.404MPa曲線(xiàn)在0.384MPa的上方，真空壓力值隨運行頻率的增加而減小。根據水泵的相似理論，運行頻率（轉速）與流量成正比，當設定頻率升高時(shí)，流量增大，流速υ₂增大，根據公式 (4)， (5)得，進(jìn)水管阻也增大，真空壓力值將減少。

4  變頻調速水泵的流量分析計算

4.1  變頻調速水泵的水壓-流量（P-Q）特性曲線(xiàn)簇

    運用水泵的相似理論，考慮水泵出廠(chǎng)時(shí)的額定轉速與實(shí)際轉速的差別；運用水泵折引理論，考慮到出廠(chǎng)干管為止的出水管路的水頭損失；對工頻水泵機組出廠(chǎng)時(shí)的P-Q特性曲線(xiàn) (1)加以修正和折引，得到符合實(shí)際運行的P-Q特性曲線(xiàn) (2)，其中m n段為水泵機組工頻時(shí)的高效段。由公式 (2)，電源頻率變化，運行轉速變化，調速水泵的特性曲線(xiàn)也發(fā)生變化。依據不同運行頻率所對應的轉速和特性曲線(xiàn) (2)，運用水泵的相似理論公式：

        Q₁/Q₂=n₁/n₂， H₁/H₂=（n₁/n₂）²， N₁/N₂=（n₁/n₂）³

    可推算出變頻調速水泵的一簇P-Q特性曲線(xiàn)，如圖5所示，圖中曲線(xiàn) (3)、 (4)、 (5)分別為f=48Hz、f=44Hz、f=40Hz時(shí)的P-Q特性曲線(xiàn)，其中m'n'段為調速水泵機組f=40Hz時(shí)的高效段。由此知，mnn'm'區域為調速水泵調速后的高效段范圍，調速水泵在此范圍內運行，既穩定可靠，又具有相當的節能效果。