1 前言
在冶金、化工、電力、市政供水和采礦等行業(yè)廣泛應(yīng)用的泵類負(fù)載，占整個(gè)用電設(shè)備能耗的40％左右，電費(fèi)在自來(lái)水廠甚至占制水成本的50％。這是因?yàn)椋阂环矫?，設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)，通常都留有一定的余量；另一方面，由于工況的變化，需要泵機(jī)輸出不同的流量。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和自動(dòng)化，智能化程度的提高，采用高壓變頻器對(duì)泵類負(fù)載進(jìn)行速度控制，不但對(duì)改進(jìn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量有好處，又是節(jié)能和設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求，是可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。對(duì)泵類負(fù)載進(jìn)行調(diào)速控制的好處甚多。從應(yīng)用實(shí)例看，大多已取得了較好的效果(有的節(jié)能高達(dá)30%-40%)，大幅度降低了自來(lái)水廠的制水成本，提高了自動(dòng)化程度，且有利于泵機(jī)和管網(wǎng)的降壓運(yùn)行，減少了滲漏、爆管，可延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。
2 泵類負(fù)載的流量調(diào)節(jié)方法及原理
泵類負(fù)載通常以所輸送的液體流量為控制參數(shù)，為此，目前常采用閥門控制和轉(zhuǎn)速控制兩種方法。
2.1閥門控制
這種方法是借助改變出口閥門開度的大小來(lái)調(diào)節(jié)流量的。它是一種相沿已久的機(jī)械方法。閥門控制的實(shí)質(zhì)是改變管道中流體阻力的大小來(lái)改變流量。因?yàn)楸玫霓D(zhuǎn)速不變，其揚(yáng)程特性曲線H－Q保持不變，如圖1所示。由于在變頻器的直流環(huán)節(jié)采用了電感元件而得名，其優(yōu)點(diǎn)是具有四象限運(yùn)行能力，能很方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的制動(dòng)功能。缺點(diǎn)是需要對(duì)逆變橋進(jìn)行強(qiáng)迫換流，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整較為困難。另外，由于電網(wǎng)側(cè)采用可控硅移相整流，故輸入電流諧波較大，容量大時(shí)對(duì)電網(wǎng)會(huì)有一定的影響。如圖1、3所示。
當(dāng)閥門全開時(shí)，管阻特性曲線R1－Q與揚(yáng)程特性曲線H－Q相交于點(diǎn)A，流量為Qa，泵出口壓頭為Ha。若關(guān)小閥門，管阻特性曲線變?yōu)镽2－Q，它與揚(yáng)程特性曲線H－Q的交點(diǎn)移到點(diǎn)B，此時(shí)流量為Qb，泵出口壓頭升高到Hb。則壓頭的升高量為：ΔHb=Hb-Ha。于是產(chǎn)生了陰線部分所示的能量損失：ΔPb=ΔHb×Qb 。
2.2轉(zhuǎn)速控制
借助改變泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，這是一種先進(jìn)的電子控制方法。轉(zhuǎn)速控制的實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變所輸送液體的能量來(lái)改變流量。因?yàn)橹皇寝D(zhuǎn)速變化，閥門的開度不變，如圖2所示，管阻特性曲線R1－Q也就維持不變。額定轉(zhuǎn)速時(shí)的揚(yáng)程特性曲線Ha－Q與管阻特性曲線相交于點(diǎn)A，流量為Qa，出口揚(yáng)程為Ha。
當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，揚(yáng)程特性曲線變?yōu)镠c－Q，它與管阻特性曲線R1－Q的交點(diǎn)將下移到C，流變?yōu)闉镼c 。此時(shí)，假設(shè)將流量Qc控制為閥門控制方式下的流量Qb，則泵的出口壓頭將降低到Hc。因此，與閥門控制方式相比壓頭降低了：ΔHc=Ha-Hc。據(jù)此可節(jié)約能量為：ΔPc=ΔHc×Qb。與閥門控制方式相比，其節(jié)約的能量為：P＝ΔPb+ΔPc＝(ΔHb－ΔHc)×Qb。這一部分能量如圖2陰線部分所示。
將這兩種方法相比較可見，在流量相同的情況下，轉(zhuǎn)速控制避免了閥門控制下因壓頭的升高和管阻增大所帶來(lái)的能量損失。在流量減小時(shí)，轉(zhuǎn)速控制使壓頭反而大幅度降低，所以它只需要一個(gè)比閥門控制小得多的，得以充分利用的功率損耗。
2.3泵機(jī)在變速下的效率分析
泵的效率特性曲線η－Q，如圖3所示。隨著轉(zhuǎn)速的降低，泵的高效率區(qū)段將向左方移動(dòng)。這說(shuō)明，轉(zhuǎn)速控制方式在低速小流量時(shí)，仍可使泵機(jī)高效率運(yùn)行。
3 在變頻狀態(tài)下供水方式的研究
在由多點(diǎn)、多泵站構(gòu)成的供水系統(tǒng)中，需對(duì)泵站出口的壓頭進(jìn)行控制，以便與管網(wǎng)系統(tǒng)適配，達(dá)到更好的系統(tǒng)性能指標(biāo)，這可以分為恒壓供水、變壓供水和分時(shí)段變壓供水。
3.1恒壓供水
使泵站出口壓頭維持不變，是該系統(tǒng)控制的目標(biāo)。在圖4中，給定出口壓頭為Hg。
當(dāng)流量Q變動(dòng)時(shí)，因轉(zhuǎn)速變化導(dǎo)致?lián)P程特性H1－Q上下移動(dòng)，泵的工作點(diǎn)將在H＝Hg線上作水平移動(dòng)（A、B、C、D）。這雖然滿足了流量的要求，但因?yàn)楣茏杼匦訰變陡，造成了能量浪費(fèi)。
恒壓供水系統(tǒng)實(shí)施比較方便，易于和多泵站供水的中、大型管網(wǎng)系統(tǒng)相協(xié)調(diào)，具有一定的通用性，和實(shí)用性，所以目前有些裝備調(diào)速泵機(jī)的自來(lái)水廠樂(lè)于采用此法，在恒壓控制方式下，因泵站出口處的壓頭維持不變，使泵并聯(lián)特性與負(fù)載的實(shí)際特性之間有一定的差距，節(jié)能效果不如變壓供水系統(tǒng)。
3.2變壓供水方式
為了節(jié)約能量，應(yīng)盡量使出口壓頭隨著流量的減小而降低(至少不能升高)，此時(shí)可采用泵站出口端“變壓供水”方式，如圖5所示。在圖中，因轉(zhuǎn)速下降時(shí)揚(yáng)程特性下移，與管阻特性R1－Q相交于點(diǎn)C，流量從Qa減小到Qc（設(shè)流量Qc與恒壓控制時(shí)的QB相等）。變壓控制形成了較大的壓差 H＝Hac，因而可節(jié)約如圖5陰線部分所示的能量。變壓供水因出口壓頭降低，抑制了管阻特性變化所贊成的損耗及水泵的附加損耗，節(jié)能效果顯著。
4 總結(jié)
通過(guò)分析，變頻器在泵類負(fù)載的調(diào)速過(guò)程中，是可以供水方式進(jìn)行優(yōu)化的，已達(dá)到更好的節(jié)電效果
