4  不同水系統的節能分析

4.1  供水系統在實(shí)現變頻調速后的節能效果

        (1)  供水系統的工作點(diǎn)

(a)  供水系統的工作點(diǎn)           (b)  調速的節能效果

圖4  供水系統的工作點(diǎn)與調速節能

    供水系統中，揚程特性與管阻特性的交點(diǎn)，便是其工作點(diǎn)。

    如圖4(a)，曲線(xiàn)①是在額定轉速下的揚程特性；曲線(xiàn)②是在閥門(mén)全開(kāi)狀態(tài)下的管阻特性。交點(diǎn)N便是工作點(diǎn)，這時(shí)，流量為Q_N，揚程為H_N。供水功率P_N與面積OANB成正比。

        (2)  調速與節能

        供水系統可以通過(guò)調節水泵的轉速來(lái)調節流量，如圖4(b)所示。當轉速下降為ｎ_X時(shí)，揚程特性下移為曲線(xiàn)③，系統的工作點(diǎn)移至X點(diǎn)。這時(shí)，流量為Q_X，揚程為H_X。供水功率P_N與面積OCXD成正比。與圖4(a)相比，面積DXCANB便是節約的供水功率ΔP。

        圖4(b)還表明，在閥門(mén)全開(kāi)的狀態(tài)下，供水系統的最大揚程是水泵的額定揚程H_N；最小揚程是實(shí)際揚程H_A。因此，供水系統的調速范圍，將取決于額定揚程和實(shí)際揚程的差值ΔH：

        ΔH=H_N-H_A                                  (12)

        需要說(shuō)明的是：在分析變頻調速的節能效果時(shí)，通常是和調節閥門(mén)開(kāi)度的方法相比較而言的。對此，在許多文章中，已有相當詳盡的論述，本文不再贅述。

        (3)  關(guān)于恒壓供水系統

        ①  變頻調速恒壓供水系統是以管路中的閥門(mén)全開(kāi)為前提的。迄今為止，這樣的系統并不少見(jiàn)，筆者曾參與過(guò)不少大樓和小區的恒壓供水工程，無(wú)一例外。各種雜志上介紹的許多關(guān)于恒壓供水系統實(shí)現變頻調速的經(jīng)驗，也基本如此。

        ②  變頻調速恒壓供水系統是通過(guò)PID調節功能來(lái)實(shí)現的。并且，由于受到實(shí)際揚程和管網(wǎng)中其他因素的限制，變頻器的下限頻率不可能很低，所以，轉速的允許調節范圍是不大的。如果在調速的同時(shí)，也調節閥門(mén)開(kāi)度的話(huà)，就節能效果而言，意義似乎不大。

4.2  循環(huán)水系統在實(shí)現變頻調速后的節能效果

(1)   循環(huán)水系統的特點(diǎn)

       (a)  循環(huán)水系統                 (b)  等效管路

圖5  循環(huán)水系統的特點(diǎn)

    循環(huán)水系統的典型例子是中央空調的冷凍水系統，如圖5(a)所示。其等效管路如圖5(b)，它相當于一個(gè)聯(lián)通器，在靜止狀態(tài)下，兩側管路的水位永遠是相同的。在水泵運行時(shí)，所需的實(shí)際揚程HA=0。由此而引起的結果是：

    ①  式(11)中的空載功率PA所占的比例將很小，故平均轉速下降后的節能效果將十分顯著(zhù)。

    ②  因為H_A=0，故轉速的調節范圍將十分寬廣，根據實(shí)踐經(jīng)驗，最低工作頻率甚至可達15Hz以下。

    筆者在承接一個(gè)二十層高樓的中央空調系統的冷凍水和冷卻水的變頻調速系統時(shí)，曾有人懷疑：頻率下降后，冷凍水會(huì )不會(huì )上不去？但后來(lái)的實(shí)踐證明，上述疑慮是完全多余的。

    (2)  冷凍水的恒壓差控制

    ①  恒壓差控制要點(diǎn)。某些賓館的冷凍水系統常常根據旅客的入住率而將部分無(wú)人入住樓層的冷凍水閥門(mén)關(guān)閉，使水泵進(jìn)水側和出水側之間的壓力差發(fā)生變化。對此，控制方法之一是通過(guò)變頻調速實(shí)現“恒壓差控制”。

    如圖6(a)和6(c)所示，壓力傳感器SP1和SP2分別測定水泵的進(jìn)水壓力和出水壓力，測得的信號接至壓差控制器，將兩者的壓力之差轉換成電流信號X_F，作為反饋信號接至變頻器。使變頻器的輸出頻率（從而水泵的轉速）得到調整。

圖6  恒壓差控制的循環(huán)水系統

    ②  入住率較高時(shí)的情形。入住率較高時(shí)，假設水泵運行在額定轉速下。揚程特性為曲線(xiàn)①，管阻特性為曲線(xiàn)②，系統的工作點(diǎn)為N點(diǎn)。這時(shí)：

    a  揚程為額定揚程H_N；

    b  流量也是額定流量Q_N；

    c  水泵的輸出功率與面積OANB成正比。

    ③  入住率較低時(shí)的情形。當入住率較低時(shí)，將關(guān)閉一個(gè)樓層。管阻特性由圖6(b)中的曲線(xiàn)②變?yōu)閳D6(d)中的曲線(xiàn)③，工作點(diǎn)移至S點(diǎn)。這時(shí)：

    a  揚程將因管路“變窄”而升高至H_S；

    b  流量下降為Q_S，由于流速加快，故流量不會(huì )下降一半；

    c  由于水泵轉速仍為額定轉速，水泵的供水能力大于管路流量，故出口壓力上升，壓差升高。

    ④  恒壓差控制的結果。變頻器在得到壓差偏大的信號后，將通過(guò)PID調節功能適當地降低輸出頻率，使水泵的轉速下降，從而保持壓差的恒定。如圖6(d)所示，水泵的轉速下降后，揚程特性將下降為曲線(xiàn)④，工作點(diǎn)移至X點(diǎn)。這時(shí)：

    a  揚程將降低為H_X；

    b  流量減小為Q_X，由于用水管路減少了一半，故Q_X也應等于額定流量的一半；

    c  壓差恢復到與圖6(a)時(shí)相等，即實(shí)現了恒壓差控制；

    d  水泵的輸出功率與面積OCXD成正比，與圖6(c)相比，節約功率與面積BNACXD成正比?？梢?jiàn)，節能效果是十分明顯的。事實(shí)上，筆者曾參與過(guò)5家高樓中央空調冷凍水與冷卻水系統的變頻調速改造，多數回收設備投資的時(shí)間不足半年，深受好評。

5  結語(yǔ)

        (1)  水泵運行系統屬于電力拖動(dòng)系統的一種，對其運行狀態(tài)的分析必須符合電力拖動(dòng)的相關(guān)規律。

        (2)  水路中流體的流動(dòng)和電路中的電流確有相似之處。但是電路服從于歐姆定律，由于電阻通常是常數，故電流與電壓之間呈線(xiàn)性關(guān)系；而水路服從于伯努利方程，且管阻特性是非線(xiàn)性的，故水路和電路不能簡(jiǎn)單地類(lèi)比。

        (3)  必須注意水泵的空載功率與水路系統空載功率的概念：

        ①  兩者都是輸出流量等于0時(shí)的功率損耗，這是它們的相同之處。

        ②  水泵的空載功率主要由水泵和傳動(dòng)機構的摩擦損失等構成；而水路系統的空載功率則還和實(shí)際揚程的大小有關(guān)。