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曹 琦
1 引言
風(fēng)機水泵在工農業(yè)生產(chǎn)及民用建筑的應用量大、面廣，據統計，80年代以來(lái)，風(fēng)機水泵的用電占全國用電總量的31%，占工業(yè)用電的40%~45%[1]。不少變頻器生產(chǎn)廠(chǎng)家也給出了變頻水泵節能效果的計算公式：泵能耗與泵轉速的三次方成正比[1，2]。如果泵轉速是其額定轉速的1/2，則功耗只有額定值的1/8，節能達到87.5%！在我國能源形勢非常緊張、能源利用效率不高的國情以及可持續發(fā)展國策的情況下，風(fēng)機水泵變頻節能前景確實(shí)誘人。下面用系統思考的方法來(lái)分析變頻泵的節能問(wèn)題。
現代哲學(xué)認為，世界上任何事物都是以系統的方式運作的。據筆者觀(guān)察分析，世界的一切事物發(fā)生展開(kāi)過(guò)程其實(shí)都是目標跟蹤過(guò)程，而其實(shí)現的模式就是自動(dòng)控制學(xué)科中單回路負反饋控制過(guò)程。變頻水泵也不例外，它是水路系統中的一個(gè)子系統，一個(gè)環(huán)節，它的任務(wù)是為系統的大目標服務(wù)的,并和系統中的其他子系統協(xié)調工作，共同完成系統的總目標、任務(wù)。水系統的主要任務(wù)、目標是在保證水系統最不利環(huán)路的資用壓力的前提下，最大限度的節省能量，如果滿(mǎn)足不了這個(gè)要求，其設計就是失敗的。為了達到這個(gè)目標，無(wú)論是自來(lái)水供水系統還是空調水系統都確定為定壓供水模式，其目標是非常明確的，定壓供水系統可以說(shuō)是在實(shí)際供水系統中最常見(jiàn)的。通過(guò)系統分析，變頻器在四個(gè)環(huán)節（傳感器、控制器、執行器、被控對象）組成的水控制系統中擔任“執行器”的角色。從自動(dòng)控制理論可知，供水系統跟蹤的目標是保證供水壓力恒定。供水系統要得到良好的控制效果，傳感器、控制器和執行器的性能必須和被控對象―水回路和水泵的特性相匹配。
2 相似定理導出的變頻泵的流量、壓力、功率和轉速的關(guān)系式
在泵內流動(dòng)完全相似的條件下（即滿(mǎn)足幾何相似、運動(dòng)相似和動(dòng)力相似）可以推導出著(zhù)名的流量、壓頭、功率和轉速關(guān)系的方程式：
流量和轉速之間的關(guān)系：Q / Q0 = ( n1 / n0 ) = 常數 (1)
壓頭和轉速之間的關(guān)系：P / P0 = ( n1 / n0 )2 = 常數 (2)
功率和轉速之間的關(guān)系：W / W0 = ( n1 / n0 )3 = 常數 (3)
式中：Q 為變頻水泵流量，m3/s；P 為變頻水泵壓頭，kPa；W 為變頻水泵功率，kW；N 為變頻水泵轉速 rpm；下標為0的參數，為額定工況參數，下標為1的參數是轉速為n1時(shí)的參數。
(1)~(3)三個(gè)關(guān)系式是把水泵從水系統中孤立出來(lái)，從相似理論推導出的結果。實(shí)際泵是在水系統中運行的，它是水系統不可分割的一部分，因此從系統的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，對泵完全相似要求的三個(gè)相似條件，是對整個(gè)系統而言的，而不是單單對泵的條件，否則泵也不可能處在相似工況運行。這點(diǎn)可以從泵特性曲線(xiàn)和水系統阻力特性曲線(xiàn)圖1上可以看出。
在泵的n1特性曲線(xiàn)上，唯有管路阻力特性曲線(xiàn)R1與n1的交點(diǎn)A1和額定工況點(diǎn)A0完全相似，才有上述的3個(gè)關(guān)系式，其他任何點(diǎn)，比如n1和等壓線(xiàn)P0的交點(diǎn)C就沒(méi)有上面3個(gè)關(guān)系。如果不分泵的運行情況就宣稱(chēng)變頻泵功耗和轉速三次方成正比，這絕對是誤導讀者。只有點(diǎn)A1和工況點(diǎn)A0完全相似，還意味著(zhù)，水泵在變頻調節時(shí)，水系統中的所有閥門(mén)開(kāi)度是不變的，這是對水系統完全相似要求中的“幾何相似”要求決定的，如果閥門(mén)在變頻中改變了開(kāi)度，等于破壞了水系統相似的基礎-幾何相似，那么整個(gè)水系統都不是在相似狀態(tài)下運行，當然也包括系統中的子系統-水泵。變頻過(guò)程中不改變閥門(mén)開(kāi)度現象，除了在實(shí)驗室、簡(jiǎn)單的空調水系統外，在實(shí)際工程上很難見(jiàn)到的，因此變頻泵通常不是在相似點(diǎn)工作，特別是在定壓供水系統中，因而也沒(méi)有三個(gè)從相似定理推導出的關(guān)系。
綜上所述，水系統流動(dòng)是否相似，可以用泵變頻過(guò)程中閥門(mén)開(kāi)度是否變化來(lái)判斷。如果閥門(mén)開(kāi)度保持不變，水系統流動(dòng)就是相似的，泵耗能和轉速的三次方成正比，節能效果最為顯著(zhù)。如果泵變頻過(guò)程中閥門(mén)開(kāi)度不再保持不變，那就不再有相似關(guān)系。偏離相似工況點(diǎn)越小，相似的程度越大，越趨近于相似工況最大的節能效果。常見(jiàn)的恒壓供水系統，泵能耗只和流量的一次方成正比，是采用變頻節能效果較差的。如果采用空調變風(fēng)量送風(fēng)系統最小靜壓控制法類(lèi)似的思想，供水過(guò)程中不再保持恒壓，而是根據大部分閥門(mén)是否全開(kāi)了來(lái)判斷供水壓力是否繼續下降，以求得系統的閥門(mén)節流損失最小。這種觀(guān)點(diǎn)筆者在文獻[3]中有詳細的論述。
在定壓供水系統中，變頻泵在新工況點(diǎn)C的功耗和轉速不再有簡(jiǎn)單的(3)式關(guān)系，而是和泵的當下流量Qc成正比，如公式(4)所示，當然Qc、Wc 和轉速n1有隱含關(guān)系了。
Wc = QcP0/102η (4)
式中：η為泵傳動(dòng)總效率。
從水電比擬法中也可以理解定壓水系統中變頻水泵功耗。在水電比擬中，水壓相當于電壓，水流相當于電流，水阻相當于電阻。水壓的含義是單位時(shí)間內向高水壓處輸送單位體積的水時(shí)水泵做的功，電壓的含義是單位時(shí)間內向高電壓處輸送單位電荷時(shí)電池做的功，電壓、水壓都是能量的概念，本質(zhì)上是相同的。大家知道，所有定電壓的用電器，其功率只和電流一次方成正比，水路也一樣。這點(diǎn)還可以從因次分析中清楚地看出。
在定壓供水系統中，泵性能應和管網(wǎng)特性、控制策略相匹配才能取得滿(mǎn)意的控制結果。變頻器相對價(jià)格昂貴，因此在實(shí)際應用中，泵群都是采取“一變多定”的配置方案。經(jīng)過(guò)分析，要完成泵群“一變多定”省錢(qián)的配置方案，通常在選擇泵性能時(shí)有以下一些考慮。
(1) 完全滿(mǎn)足“一變多定”配置要求的方案
經(jīng)分析，完全滿(mǎn)足“一變多定”配置方案要求的，只有具有恒流特性的容積式水泵才可以。如圖2所示，n0為容積泵額定工況特性曲線(xiàn)，n1、n2為容積泵變轉速時(shí)的特性曲線(xiàn)，由圖中可以看出，容積泵具有恒流特性。當管網(wǎng)特性由R0變化到R1時(shí)，在控制上很容易確定開(kāi)一臺定流量泵和一臺變頻泵來(lái)適應新的工況點(diǎn)流量的要求。但是容積泵的效率非常低，在水系統中若采用容積泵輸送水來(lái)滿(mǎn)足“一變多定”配置方案的要求，則是完全背離了采用變頻泵進(jìn)行節能的初衷，因此，這個(gè)配置方案不能采用。
(2) 高性能離心泵的變頻控制方案
采用了三元流動(dòng)、進(jìn)口導葉等等先進(jìn)的技術(shù)，離心式水泵的特性曲線(xiàn)非常平坦，高效率的工作區域很寬，這正是水泵生產(chǎn)廠(chǎng)家和用戶(hù)追求的。對于定壓供水系統的高效離心泵機群如果也采用“一變多定”配置的控制方案，則會(huì )引起一些問(wèn)題。圖3是泵特性曲線(xiàn)圖，從這個(gè)圖上可以很容易分析出，在定壓供水系統中，變頻泵新的工況點(diǎn)也就是變頻泵特性曲線(xiàn)和等壓線(xiàn)交點(diǎn)，因為泵的特性非常平坦，變頻泵的變頻范圍非常小，而且新工況點(diǎn)因供水壓力小的波動(dòng)（這在供水系統中是非常正常的）而變化劇烈，工況點(diǎn)極不穩定，雖然在控制中可以采用軟件濾波的方法改善不穩定的情況，但變、定水泵配置方案運行匹配較為困難，節省的能量很有限卻是肯定的，這和采用變頻節能控制的初衷也是相違背的。因此對于實(shí)際工程中的高性能離心泵機群，所有泵都進(jìn)行變頻控制才是合理的，如著(zhù)名的德國WILO公司的MHIE、MVIV系列變頻恒壓多泵并聯(lián)供水系統，多臺泵全部采用變頻控制，以避免“一變多定”運行匹配困難的問(wèn)題。如果水系統盡量采用“一變一備”的配置，用一套變頻器，切換控制兩臺水泵，同一時(shí)間只有一臺泵處于變頻運行，那就不會(huì )遇到“一變多定”運行匹配困難的問(wèn)題，同時(shí)投資也很節省，這是變頻泵水系統設計中一種可行的方法。
(3) 在各支流管路上安裝小的變頻泵代替閥門(mén)以最大限度地減少節流損失的方案
如果空調系統只有一臺空調機，用小的變頻泵代替閥門(mén)，以空調機的送風(fēng)溫度或以空調機的出水溫度來(lái)控制變頻泵的轉速，是可以取得滿(mǎn)意的節能效果的。然而對于多臺并聯(lián)運行的空調機水路中的小變頻泵，各泵也相當于并聯(lián)運行。因為各空調機的負荷不同，空調機出水壓頭也不盡同，壓頭高的水就有可能通過(guò)壓頭低的泵反流，產(chǎn)生各空調機的調節相互干擾。為了避免這種情況，各空調機出水口管路上必須加裝恒壓水閥，以抹平各空調機出水口壓力的差異，使回水干管的壓力相同。不過(guò)，這種配置增加了系統的復雜性，并在恒壓閥上也產(chǎn)生一定的節流損失。
4 結論
(1) 在最常見(jiàn)的定壓供水系統中，變頻泵的功耗，只和流量的一次方成正比，而沒(méi)有和泵轉速的三次方成正比的關(guān)系。
(2) 對于高性能的離心水泵，不宜采用“一變多定”配置方案。
(3) 各空調機水路中采用小的變頻水泵的配置方案也是一種變頻節能的好措施。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號