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曹 琦
1 引言
風(fēng)機(jī)水泵在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及民用建筑的應(yīng)用量大、面廣，據(jù)統(tǒng)計(jì)，80年代以來(lái)，風(fēng)機(jī)水泵的用電占全國(guó)用電總量的31%，占工業(yè)用電的40%~45%[1]。不少變頻器生產(chǎn)廠家也給出了變頻水泵節(jié)能效果的計(jì)算公式：泵能耗與泵轉(zhuǎn)速的三次方成正比[1，2]。如果泵轉(zhuǎn)速是其額定轉(zhuǎn)速的1/2，則功耗只有額定值的1/8，節(jié)能達(dá)到87.5%！在我國(guó)能源形勢(shì)非常緊張、能源利用效率不高的國(guó)情以及可持續(xù)發(fā)展國(guó)策的情況下，風(fēng)機(jī)水泵變頻節(jié)能前景確實(shí)誘人。下面用系統(tǒng)思考的方法來(lái)分析變頻泵的節(jié)能問(wèn)題。
現(xiàn)代哲學(xué)認(rèn)為，世界上任何事物都是以系統(tǒng)的方式運(yùn)作的。據(jù)筆者觀察分析，世界的一切事物發(fā)生展開(kāi)過(guò)程其實(shí)都是目標(biāo)跟蹤過(guò)程，而其實(shí)現(xiàn)的模式就是自動(dòng)控制學(xué)科中單回路負(fù)反饋控制過(guò)程。變頻水泵也不例外，它是水路系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)，一個(gè)環(huán)節(jié)，它的任務(wù)是為系統(tǒng)的大目標(biāo)服務(wù)的,并和系統(tǒng)中的其他子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，共同完成系統(tǒng)的總目標(biāo)、任務(wù)。水系統(tǒng)的主要任務(wù)、目標(biāo)是在保證水系統(tǒng)最不利環(huán)路的資用壓力的前提下，最大限度的節(jié)省能量，如果滿足不了這個(gè)要求，其設(shè)計(jì)就是失敗的。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，無(wú)論是自來(lái)水供水系統(tǒng)還是空調(diào)水系統(tǒng)都確定為定壓供水模式，其目標(biāo)是非常明確的，定壓供水系統(tǒng)可以說(shuō)是在實(shí)際供水系統(tǒng)中最常見(jiàn)的。通過(guò)系統(tǒng)分析，變頻器在四個(gè)環(huán)節(jié)（傳感器、控制器、執(zhí)行器、被控對(duì)象）組成的水控制系統(tǒng)中擔(dān)任“執(zhí)行器”的角色。從自動(dòng)控制理論可知，供水系統(tǒng)跟蹤的目標(biāo)是保證供水壓力恒定。供水系統(tǒng)要得到良好的控制效果，傳感器、控制器和執(zhí)行器的性能必須和被控對(duì)象―水回路和水泵的特性相匹配。
2 相似定理導(dǎo)出的變頻泵的流量、壓力、功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系式
在泵內(nèi)流動(dòng)完全相似的條件下（即滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似）可以推導(dǎo)出著名的流量、壓頭、功率和轉(zhuǎn)速關(guān)系的方程式：
流量和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：Q / Q0 = ( n1 / n0 ) = 常數(shù) (1)
壓頭和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：P / P0 = ( n1 / n0 )2 = 常數(shù) (2)
功率和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：W / W0 = ( n1 / n0 )3 = 常數(shù) (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(zhuǎn)速 rpm；下標(biāo)為0的參數(shù)，為額定工況參數(shù)，下標(biāo)為1的參數(shù)是轉(zhuǎn)速為n1時(shí)的參數(shù)。
(1)~(3)三個(gè)關(guān)系式是把水泵從水系統(tǒng)中孤立出來(lái)，從相似理論推導(dǎo)出的結(jié)果。實(shí)際泵是在水系統(tǒng)中運(yùn)行的，它是水系統(tǒng)不可分割的一部分，因此從系統(tǒng)的觀點(diǎn)來(lái)看，對(duì)泵完全相似要求的三個(gè)相似條件，是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言的，而不是單單對(duì)泵的條件，否則泵也不可能處在相似工況運(yùn)行。這點(diǎn)可以從泵特性曲線和水系統(tǒng)阻力特性曲線圖1上可以看出。
在泵的n1特性曲線上，唯有管路阻力特性曲線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(yùn)行情況就宣稱(chēng)變頻泵功耗和轉(zhuǎn)速三次方成正比，這絕對(duì)是誤導(dǎo)讀者。只有點(diǎn)A1和工況點(diǎn)A0完全相似，還意味著，水泵在變頻調(diào)節(jié)時(shí)，水系統(tǒng)中的所有閥門(mén)開(kāi)度是不變的，這是對(duì)水系統(tǒng)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(tǒng)相似的基礎(chǔ)-幾何相似，那么整個(gè)水系統(tǒng)都不是在相似狀態(tài)下運(yùn)行，當(dāng)然也包括系統(tǒng)中的子系統(tǒng)-水泵。變頻過(guò)程中不改變閥門(mén)開(kāi)度現(xiàn)象，除了在實(shí)驗(yàn)室、簡(jiǎn)單的空調(diào)水系統(tǒng)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(tǒng)中，因而也沒(méi)有三個(gè)從相似定理推導(dǎo)出的關(guān)系。
綜上所述，水系統(tǒng)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(tǒng)流動(dòng)就是相似的，泵耗能和轉(zhuǎn)速的三次方成正比，節(jié)能效果最為顯著。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(jié)能效果。常見(jiàn)的恒壓供水系統(tǒng)，泵能耗只和流量的一次方成正比，是采用變頻節(jié)能效果較差的。如果采用空調(diào)變風(fēng)量送風(fēng)系統(tǒng)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(jù)大部分閥門(mén)是否全開(kāi)了來(lái)判斷供水壓力是否繼續(xù)下降，以求得系統(tǒng)的閥門(mén)節(jié)流損失最小。這種觀點(diǎn)筆者在文獻(xiàn)[3]中有詳細(xì)的論述。
在定壓供水系統(tǒng)中，變頻泵在新工況點(diǎn)C的功耗和轉(zhuǎn)速不再有簡(jiǎn)單的(3)式關(guān)系，而是和泵的當(dāng)下流量Qc成正比，如公式(4)所示，當(dāng)然Qc、Wc 和轉(zhuǎn)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(tǒng)中變頻水泵功耗。在水電比擬中，水壓相當(dāng)于電壓，水流相當(dāng)于電流，水阻相當(dāng)于電阻。水壓的含義是單位時(shí)間內(nèi)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(nèi)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(tǒng)中，泵性能應(yīng)和管網(wǎng)特性、控制策略相匹配才能取得滿意的控制結(jié)果。變頻器相對(duì)價(jià)格昂貴，因此在實(shí)際應(yīng)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) 完全滿足“一變多定”配置要求的方案
經(jīng)分析，完全滿足“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，n1、n2為容積泵變轉(zhuǎn)速時(shí)的特性曲線，由圖中可以看出，容積泵具有恒流特性。當(dāng)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(tái)定流量泵和一臺(tái)變頻泵來(lái)適應(yīng)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(tǒng)中若采用容積泵輸送水來(lái)滿足“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(jié)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(dǎo)葉等等先進(jìn)的技術(shù)，離心式水泵的特性曲線非常平坦，高效率的工作區(qū)域很寬，這正是水泵生產(chǎn)廠家和用戶追求的。對(duì)于定壓供水系統(tǒng)的高效離心泵機(jī)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是泵特性曲線圖，從這個(gè)圖上可以很容易分析出，在定壓供水系統(tǒng)中，變頻泵新的工況點(diǎn)也就是變頻泵特性曲線和等壓線交點(diǎn)，因?yàn)楸玫奶匦苑浅Ｆ教梗冾l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(tǒng)中是非常正常的）而變化劇烈，工況點(diǎn)極不穩(wěn)定，雖然在控制中可以采用軟件濾波的方法改善不穩(wěn)定的情況，但變、定水泵配置方案運(yùn)行匹配較為困難，節(jié)省的能量很有限卻是肯定的，這和采用變頻節(jié)能控制的初衷也是相違背的。因此對(duì)于實(shí)際工程中的高性能離心泵機(jī)群，所有泵都進(jìn)行變頻控制才是合理的，如著名的德國(guó)WILO公司的MHIE、MVIV系列變頻恒壓多泵并聯(lián)供水系統(tǒng)，多臺(tái)泵全部采用變頻控制，以避免“一變多定”運(yùn)行匹配困難的問(wèn)題。如果水系統(tǒng)盡量采用“一變一備”的配置，用一套變頻器，切換控制兩臺(tái)水泵，同一時(shí)間只有一臺(tái)泵處于變頻運(yùn)行，那就不會(huì)遇到“一變多定”運(yùn)行匹配困難的問(wèn)題，同時(shí)投資也很節(jié)省，這是變頻泵水系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jié)流損失的方案
如果空調(diào)系統(tǒng)只有一臺(tái)空調(diào)機(jī)，用小的變頻泵代替閥門(mén)，以空調(diào)機(jī)的送風(fēng)溫度或以空調(diào)機(jī)的出水溫度來(lái)控制變頻泵的轉(zhuǎn)速，是可以取得滿意的節(jié)能效果的。然而對(duì)于多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的空調(diào)機(jī)水路中的小變頻泵，各泵也相當(dāng)于并聯(lián)運(yùn)行。因?yàn)楦骺照{(diào)機(jī)的負(fù)荷不同，空調(diào)機(jī)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(diào)機(jī)的調(diào)節(jié)相互干擾。為了避免這種情況，各空調(diào)機(jī)出水口管路上必須加裝恒壓水閥，以抹平各空調(diào)機(jī)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(tǒng)的復(fù)雜性，并在恒壓閥上也產(chǎn)生一定的節(jié)流損失。
4 結(jié)論
(1) 在最常見(jiàn)的定壓供水系統(tǒng)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(zhuǎn)速的三次方成正比的關(guān)系。
(2) 對(duì)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(diào)機(jī)水路中采用小的變頻水泵的配置方案也是一種變頻節(jié)能的好措施。
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