离心泵变频调速的节能条件

章乾

珠海横琴能源发展 有限公司 广东珠海 519000

摘要：变频器在国内已经得到广泛的应用，电动机变频调速已经成为节能的代名词,然而变频并不是万能的，有些负荷采用变频调速是起不到节能效果的。该文以离心泵为例，对电动机的输入功率、输出功率、离心泵轴功率、离心泵输出功率等参数的定性分析，总结出变频调速实现节能的条件。

关键词：节能；变频；调速

Energy saving condition of variable frequency speed regulation of centrifugal pump

Abstract ：Frequency converter has been widely used in China, motor speed control has become synonymous with energy saving, but the frequency is not omnipotent, and some load frequency control is not effective. In this paper, the centrifugal pump is taken as an example to analyze the parameters of the input power, output power, centrifugal pump shaft power and the output power of centrifugal pump.

Key words: energy saving; frequency conversion; speed regulation.

0引言

随着社会及我国环境问题的凸显，国家对节能的重视，对于消耗全国总电能40%的电动机的节能问题备受人们关注。近些年，变频技术已趋于成熟，电动机采用变频调速控制成为了主流，该文对变频调速的节能问题进行定性分析。

1理论依据

1.1基本概念

论文所论述节能问题均为节约的电能，电能消耗量为输入功率与工作时间的乘积，电能消耗量按下式计算。

（1）

（2）

（3）

式中：W—电能消耗量，kWh;

T—工作时间，h；

P₁、P₂—电动机输入、输出功率，kW；

Q—水泵输出流量，m³/s；

Q—水泵输出扬程，m；

η₁、η₂—电动机、水泵效率，%。

《三相异步电动机能效限定值及能效等级》（GB/T 18613-2012）虽取消了电动机在电动机在75%额定输出功率下的效率要求，但根据《工业与民用配电设计手册》（第四版）中提供的电动机在70%~100%额定输出功率时具有较高的效率及功率因数，在电动机工作在额定功率的70%及以上时，η₁近似相等。

1.2变频调速的节能原理

当水泵转速在±20%范围内变化时，泵内液体流动状况相似，效率基本不变，可近似按下式计算。

（4）

（5）

（6）

式中：Q₁、H₁、N₁—转速为n₁时的流量、扬程、轴功率值。

Q₂、H₂、N₂—转速为n₂时的流量、扬程、轴功率值。

对于同一台离心泵，当转速不变时，扬程与流量的关系可按下式计算。

（7）

上式中u₁、u₂、g、ε、D₂、b₂ 及β₂均为常量。此式说明，在固定转速下，无论叶型如何，泵在理论上的流量与扬程关系是线性的，由此关系即可绘制水泵的流量-扬程曲线。

通过调节离心泵的转速以实现节能的目的，实际上是根据水泵所带负载的实际情况，调节水泵的扬程-流量曲线，使水泵获得更高的效率。下面就公用设备中最常见的循环泵与补水泵的节能效果进行分析。

1.3 离心泵的变频调速

循环水泵一定工作在稳定点上，即流量-扬程特性曲线中，水泵特性曲线与负载特性曲线的焦点处。循环系统中，管道阻力与流量的关系按下式计算。

（8）

（9）

式中：R—每米管长的沿程损失（比摩阻），Pa/m；

Q_t—管段内热媒流量，t/h。

ΔP—管段的总压降，Pa。

对于相同管路与相同介质而言，式（8）

ρ、d及管路长度均为常量，管路的负载阻力只与流量的二次方成正比，由此关系可绘出管段的阻力-流量特性曲线。

根据《锅炉房设计就规范》（GB50041-2008）中关于循环泵的选择要求，以实际管网的最大流量（Q₀）及该流量下的总压力降（H₀）选择循环泵的额定参数（Q_N，H_N），如图1。现工艺要求水泵输出流量为Q₁（Q₁₀），可通过调节阀门和调节水泵电机的转速实现。通过调节阀门，使系统阻力达到H1，此时水泵轴功率仍为水泵额定功率，水泵效率降低。通过调节转速使水泵输出流量为Q₁时，根据式（4）、（5）、（6）、（8）水泵额定输出参数及管道阻力变换如下：

由上可知，对于以克服沿程阻力损失为控制条件的系统，离心泵在调速后管网的阻力损失值仍与水泵在该转速下的额定扬程接近，水泵可在额定工况点运行，此时水泵的轴功率为N₁，可达到节能的目的。

通过上面分析，通过变频调速实现节能应满足一下条件：

1、沿程阻力损失起起决定作用的负载，即总的阻力近似与流量的平方成正比。

2、流量调节范围不超过水泵额定流量的±20%。

3、电动机的额定功率不低于水泵轴功率的70%。

2总结

以上分析的条件是充分性的，若改变条件须根据实际参数计算。

对于条件一，若阻力-流量特性为以克服静压为主的定压补水泵负荷，通过图1简单定性分析其电能消耗情况。假设补水泵静水水压H₀，补水泵将稳定工作在H₀曲线上，结合图1，在补水量相同条件下，工频运行（1.0f）与变频（0.9f）运行时的电能消耗情况，将上图1数据代入式（1）、（2）、（3）、（6）

图1 水泵流量-扬程特性曲线

图中：1、0.8f、0.9f、1.0f曲线为离心泵在不同额定频率倍数下的流量-扬程特性曲线。2、ΔP曲线为沿程阻力损失-流量特性曲线。3、（Q₀，H₀）点为离心泵额定工况点，（Q₁，H₁）点为离心泵在相应频率下的工况点，（Q₁，H₂）点为采用阀门调节流量时的工况点。

由上计算可得出，在补水量相同的条件下，变频运行比工频运行会消耗更多的电能。

对于条件二，当水泵转速不在额定转速±20%时，式（1）、（2）、（3）变换方式不再适用，实际节能效果应由厂家提供的参数确定。

对于条件三，当电动机轻载运行时效率低，再考虑到变频器自身的效率以及给电动机带来的额外电能损失，很难得到节能效果。

参考文献

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[12]小型热电联产工程设计手册.中国电力出版社，2008.08.

[13]机械工程手册动力设备.机械工业出版社，1991.10.

作者简介：章乾（1981—），男，汉族，工程师，大学本科，电气工程及其自动化专业，从事发电厂运行以及珠海横琴集中供冷项目设计、建设管理工作。