簡介： 自動(dòng)化新技術(shù)叢書《SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)》（張延濱編著）是一本非常好的書，但書中關(guān)于恒壓供水主體方案的討論一節(jié)的觀點(diǎn)有待商榷，本文對(duì)恒壓供水主體方案的確定舉例進(jìn)行了分析，并提出恒壓供水主體方案確定應(yīng)考慮系統(tǒng)的運(yùn)行方式，經(jīng)綜合比較分析最終確定合理的方案。
關(guān)鍵字：恒壓供水 變頻 控制 主體方案 商榷

自動(dòng)化新技術(shù)叢書《SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)》（張延濱編著）是一本非常好的書，該書深入淺出的介紹有關(guān)變頻器知識(shí)及應(yīng)用，使讀者對(duì)變頻控制系統(tǒng)有了更全面的了解，但書中關(guān)于恒壓供水主體方案的討論一節(jié)的觀點(diǎn)有待商榷，本文淺談自己的觀點(diǎn)，供同行一起討論。

1  原文轉(zhuǎn)述

在《SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)》中第226頁中7.1.2關(guān)于恒壓供水主方案的討論一節(jié)中原文摘錄如下：

 7．1．2  關(guān)于恒壓供水主體方案的討論  

    通常，在同一路供水系統(tǒng)中，設(shè)置兩臺(tái)常用泵，供水量大時(shí)開2臺(tái)，供水量少時(shí)開1臺(tái)。在采用變頻調(diào)速進(jìn)行恒壓供水時(shí)，存在著一個(gè)用1臺(tái)變頻器還是2臺(tái)變頻器的問題，討論如下：

1．    1臺(tái)泵的變頻調(diào)速方案  這也是應(yīng)用得較為普遍的方案。其控制過程是：用水少時(shí)，由變頻器控制1號(hào)泵，進(jìn)行恒壓供水控制。當(dāng)用水量逐漸增加，1號(hào)泵的工作頻率達(dá)到50Hz時(shí)，將其電動(dòng)機(jī)切換成由工頻電源供電。同時(shí)，將變頻器切換到2號(hào)泵上，由2號(hào)泵進(jìn)行補(bǔ)充供水。反之，當(dāng)用水量逐漸減少，即使2號(hào)泵的工作頻率已降到0Hz，而供水壓力仍偏大時(shí)，則關(guān)掉1號(hào)泵，同時(shí)迅速升高2號(hào)泵的工作頻率，并進(jìn)行恒壓控制。

此方案的主要特點(diǎn)是：

（1）只用1臺(tái)變頻器，故設(shè)備投資少。

（2）如果用水量恰巧在1臺(tái)泵全速供水量的上下變動(dòng)時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)供水系統(tǒng)來回切換的狀態(tài)。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，可設(shè)置壓力控制的“切換死區(qū)”。舉例說明如下： 

設(shè)所需供水壓力為200Pa，則可設(shè)定切換死區(qū)范圍為200Pa～250Pa，控制的方式是，當(dāng)1號(hào)泵的工作頻率上升至50Hz時(shí)，如壓力低于200Pa，則進(jìn)行切換，使1號(hào)泵全速運(yùn)行，2號(hào)泵進(jìn)行補(bǔ)充。當(dāng)用水量減少，2號(hào)泵已完全停止，但壓力仍超過200Pa時(shí)，先暫不切換，直至壓力超過250Pa時(shí)，再行切換。

（3）本方案取用電功率的計(jì)算舉例如下：

設(shè)每臺(tái)泵的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)容量為P_MN=100KW，全速時(shí)的供水流量為Q_N。泵的空載損耗為 P₀=0.1×100KW=10KW，且設(shè)在調(diào)速過程中，P₀≈Const，則全速時(shí)實(shí)際用于泵水的功率為Pp=(100-110)KW=90KW。

又設(shè)每天的平均總供水流量為140%Q_N，則1號(hào)泵為全速，其平均取用功率為

P _M1 = P_MN = 100 KW

2號(hào)泵的平均轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的40%，其平均取用功率為

P _{M 2} = (10+0.4³×90) KW=15.8 KW

兩臺(tái)泵取用的總平均功率P_∑為

           P_∑ = (100+15.8) KW = 115.8 KW

2． 2臺(tái)泵的變頻調(diào)速方案   2臺(tái)水泵的電動(dòng)機(jī)都由變頻器控制，或用2臺(tái)變頻器分別控制2臺(tái)電動(dòng)機(jī)，或用1臺(tái)容量較大的變頻器同時(shí)控制2臺(tái)電動(dòng)機(jī)。后者控制較為簡單，但前者的機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)，即使一臺(tái)變頻器出了故障，另一臺(tái)仍可使用，轉(zhuǎn)為1臺(tái)泵的變頻調(diào)速方案。

   采用2臺(tái)泵的變頻調(diào)速方案的設(shè)備費(fèi)用較高，但運(yùn)行時(shí)的節(jié)能效果卻要好得多。仍以上面的例子為例，計(jì)算如下。

   采用2臺(tái)泵的變頻調(diào)速方案時(shí)，供水流量可由2臺(tái)水泵平均分擔(dān)，則每臺(tái)的平均供水流量為70%Q_N，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的取用電功率為

        P _{M 1} = (10+0.7³×90) KW = 40.9 KW

2臺(tái)水泵共用功率為

        P_∑ = 40.9×2 KW = 81.8 KW

2  商榷分析

2．1 基本相似關(guān)系

   當(dāng)一臺(tái)泵抽同一種液體僅轉(zhuǎn)速不同時(shí)，可得出所謂“比例律”公式，即

        Q ₁／Q ₂  =  n ₁／n ₂  ---------------------------------------------1

        H ₁／H ₂  =  (  n ₁／n ₂ ) ² ----------------------------------------2

        N ₁／N ₂  =  (  n ₁／n ₂ ) ³ ----------------------------------------3

    式中N_1、N₂指水泵軸功率，此功率已包含了水泵的容積損失功率、機(jī)械效率損失功率、水力損失功率等。

    當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變后，水泵的其它工作參數(shù)也隨著改變，一般來講，水泵不允許在額定轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上作升速運(yùn)行，但降速運(yùn)行是可以的，但也不應(yīng)在臨界轉(zhuǎn)速之下長期運(yùn)行。一般來講降速范圍在（60%--100%）額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行是安全穩(wěn)定的，“比例律”也是準(zhǔn)確的。

    已知轉(zhuǎn)速為n的某泵Q—H性能曲線，如果把水泵的轉(zhuǎn)速降至n₁時(shí),按比例律公式1與2可繪出Q₁—H₁曲線，但在運(yùn)用比例律公式時(shí)應(yīng)注意，它們僅適用于同一條相似工況拋物線上的不同點(diǎn)。所以，當(dāng)已知A₁點(diǎn)(Q₁  H₁)及n時(shí)，首先要求出通過A₁點(diǎn)(Q₁  H₁)工況的相似拋物線，此拋物線也通過轉(zhuǎn)速為n₁的A₂點(diǎn)(Q₂  H₂)，按比例律公式進(jìn)行計(jì)算求相似工況點(diǎn)的方法如下：

    根據(jù)比例律公式可得出

H ₁ ／Q ₁ ² ＝ H／Q ² ＝ K

H ＝ K Q ²

 若已知   A₁點(diǎn)(Q₁  H₁) ，則可求出K 值，在Q--H曲線圖上假定幾個(gè)流量，就可作出H＝KQ² 的相似工況拋物線，此曲線不但通過A₁點(diǎn)(Q₁  H₁)，而且與水泵轉(zhuǎn)速為n₁的性能曲線相交于A₂點(diǎn)(Q₂  H₂)。但管道特性曲線與相似工況拋物線不是一回事，兩者重合的可能性很小，故在實(shí)際應(yīng)用時(shí)一定要注意概念的區(qū)分，以免發(fā)生錯(cuò)誤。

當(dāng)Q—H_需不變時(shí)，即某工程系統(tǒng)凈揚(yáng)程為H_凈，管道已確定時(shí)，見圖一所示，其在不同轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行工況點(diǎn)應(yīng)為點(diǎn)A₃(對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為n₁)、點(diǎn)A₁(對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為n)，但點(diǎn)A₁與A₃由于工況不相似，故不能用相似律公式計(jì)算。點(diǎn)A₃(對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為n₁)與點(diǎn)A₄(對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為n)才是相似的工況點(diǎn)，如果水泵在轉(zhuǎn)速為n₁下運(yùn)行時(shí)，A₃點(diǎn)是否在穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，要看對(duì)應(yīng)的相似點(diǎn)A₄是否在穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，如果A₄點(diǎn)是水泵的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，則A₃點(diǎn)就是穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，否則就不是，在工程中選擇設(shè)備時(shí)一定要注意運(yùn)行工況范圍，所選水泵的工況范圍區(qū)間應(yīng)包含A₁和A₄點(diǎn)，這樣系統(tǒng)運(yùn)行是穩(wěn)定的、安全的和可靠的。不然就會(huì)使工程不能充分發(fā)揮效益，甚至造成不必要的浪費(fèi)。

圖一 水泵及管道性能曲線

2.2   邊界條件分析

在《SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)》中的恒壓供水主方案的討論，對(duì)設(shè)置一臺(tái)變頻器與二臺(tái)變頻器系統(tǒng)所需的軸功率計(jì)算，忽略了邊界條件，其邊界條件是管道特性與工況相似拋物線完全重合的特殊情況，且系統(tǒng)不是恒壓供水系統(tǒng)，應(yīng)是圖二所示的水平供水系統(tǒng)，當(dāng)管道末端所需流量小時(shí)系統(tǒng)壓力也小，管道末端所需流量大時(shí)系統(tǒng)壓力也大的輸水系統(tǒng)，且系統(tǒng)的凈水位差為零，即管道特性曲線必須經(jīng)過零流量點(diǎn)。在這樣的前提下，書中的計(jì)算結(jié)果才是正確的，但書中的結(jié)論還不確切。

2.3   書中計(jì)算誤區(qū)

  書中例子假如每天平均總供水流量為140%Q_N，則1號(hào)泵為全速，其平均取用功率為P_M1=P_MN=100KW，此刻的100KW為拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的容量，而不是水泵運(yùn)行所消耗的軸功率，不能以此進(jìn)行相似律的計(jì)算。參見圖一，2號(hào)泵的平均轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的40%，其所需功率不是15.8KW，因?yàn)橄��?/span>15.8KW功率所對(duì)應(yīng)的工況點(diǎn)為水泵全速運(yùn)行的工況點(diǎn)A₁(Q₁  H₁)的相似拋物線上對(duì)應(yīng)的40%運(yùn)行工況點(diǎn)A₂(Q₂  H₂)，而對(duì)應(yīng)40%額定流量下恒壓運(yùn)行的工況點(diǎn)應(yīng)該是工況點(diǎn)A₅(Q₂  H₁)，此點(diǎn)消耗的功率要比15.8KW大。恒壓運(yùn)行各轉(zhuǎn)速下的工況點(diǎn)是壓力為某一給定的數(shù)值，即水泵運(yùn)行的點(diǎn)為一平行于Q軸的過A₁(Q₁  H₁)線上的點(diǎn)，而不能用管道特性曲線上的點(diǎn)或相似拋物線上的點(diǎn)來對(duì)應(yīng)關(guān)系。

同樣采用2臺(tái)變頻調(diào)速的方案，則平均每臺(tái)供水流量為70%Qr，則每臺(tái)水泵所需功率

圖二  輸水系統(tǒng)示意圖

不是40.9KW，2臺(tái)水泵共用功率也不是81.8KW了。

2.4   列例說明

 我們討論問題的前提是恒壓供水系統(tǒng)，在此前提下必須是恒壓控制，那么在這種條件下選擇一臺(tái)變頻還是兩臺(tái)變頻，其節(jié)能效果確如書上所計(jì)算的那樣嗎？其經(jīng)濟(jì)技術(shù)的合理性到底怎樣呢？同樣我們以例子進(jìn)行計(jì)算分析。系統(tǒng)各流量下水泵所需軸功率進(jìn)行了計(jì)算，見表一。                                                  

表一  設(shè)置一臺(tái)和二臺(tái)變頻器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

假設(shè)系統(tǒng)設(shè)二臺(tái)12sh-9_A泵，以此為例對(duì)恒壓供水主體方案進(jìn)行計(jì)算分析討論，以更為直觀地使大家判斷出選擇幾臺(tái)變頻控制設(shè)備更為合理。設(shè)每臺(tái)水泵在額定工況下Hr=45m

Qr=0.23m³/s  η_水=81%   P_軸=125.4KW  配套電動(dòng)機(jī)P_{電動(dòng)機(jī)}=160KW  n=1470r/min  恒壓變頻控制壓力整定為H=45m，分別對(duì)系統(tǒng)所需流量為1.1Qr、 1.2Qr、 1.3Qr、1.4Qr、1.5Qr、1.6Qr、1.7Qr、1.8Qr、1.9Qr進(jìn)行計(jì)算水泵所需軸功率。

當(dāng)系統(tǒng)所需流量為 1.1Q r 即 0.253 m ³ / s 時(shí)，分別對(duì)設(shè)置一臺(tái)變頻器、二臺(tái)變頻器方案進(jìn)行計(jì)算。

i） 當(dāng)設(shè)置一臺(tái)變頻器時(shí)，即一臺(tái)工頻運(yùn)行，一臺(tái)變頻運(yùn)行。變頻運(yùn)行的泵的流量為0.023 m ³ / s，此時(shí)水泵揚(yáng)程為Hr=45m  η_水=20%   P_軸=50.8KW ，二臺(tái)泵的軸功率為176.2KW。

ii）  當(dāng)設(shè)置二臺(tái)變頻器時(shí)，則二臺(tái)泵同時(shí)進(jìn)行變頻運(yùn)行。每臺(tái)變頻運(yùn)行的泵的流量為0.1265 m ³ / s，此時(shí)水泵揚(yáng)程為Hr=45m  η_水=73%   P_軸=76.5KW ，二臺(tái)泵的軸功率為153KW。其節(jié)能23.2KW。

綜合看二臺(tái)變頻裝置確實(shí)節(jié)能，但節(jié)能效果不是象書中所述的那樣，從表一可以看到，當(dāng)系統(tǒng)所需的流量在額定流量85%范圍內(nèi)運(yùn)行，那么選擇一臺(tái)變頻裝置為經(jīng)濟(jì)合理；若系統(tǒng)運(yùn)行流量變化很大，但在小流量下運(yùn)行時(shí)間很短，那么也沒有必要為此設(shè)置二臺(tái)變頻裝置；若系統(tǒng)所需流量在額定流量的55%以下長期運(yùn)行，那么應(yīng)考慮增加機(jī)組臺(tái)數(shù)與增加變頻裝置數(shù)量的綜合經(jīng)濟(jì)比較后確定更為合理的方案。

2.5   總結(jié)

恒壓供水主體方案的確定是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，即要了解用戶用水量分配情況，還要了解工藝特性、管道特性等綜合因素，只有充分了解了系統(tǒng)的運(yùn)行方式，才能確定出合理的方案。

鄒玉濤  1967年8月21日出生，大學(xué)，高級(jí)工程師

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