循环泵变频问题探讨

循环泵变频问题探讨　

河南理工大学土木工程学院徐文忠　张传迪　区域供热２０１７．５期　

【摘　要】通过调整循环水泵电机的频率，来调节转速、改变泵的扬程和流量，以　

满足运行需要．是一种理想的调节方式．理论上可大幅减少水泵的电耗。然而节能效　

果的计算不能简单地套用比例定律。＂－３水泵存在净扬程时．节能计算必须以转变后的　

相似工况点为基础　同时并不是电机的频率变得越低越好，尤其是在水泵并联运行　

时．过低的频率将会对系统造成严重的危害　本文将针对这些问题在此作简单地探　

讨。　

【关键词】循环泵节能效果工况点水泵并联　

本项目受“河南理工大学科学研究资助项目”ｆＢ２０１１—０７８）７２－“河南省教育厅自然　

科学研究计划项目”（２０１１Ａ５６０００５）资助。　

ＤＯＩ编码：１０．１６６４１￣．ｃｎｋｉ．Ｃｎ　１１－３２４１／ｔｋ．２０１７．０５．０２１　

０概述　

循环系统的工况发生变化时．可以改变　

系统中循环水流量以节省能源　流量的调节　

通常可分为启停调节、阀门调节和变频调节　

三种基本方式　变频调速技术通过改变交流　

电的频率从而达到改变电机转速的目的　利　

用变频器进行变频调速具有无级调速的优　

点…　变频调速是改变了驱动电机的输入电流　

频率．从而达到降低功率的目的．因此节能幅　

度很大｜２＿。在传统的循环冷却系统中，阀门调　

节的节流损失占整个输配系统动力能耗的比　

例很大　如果以变频泵代替调节阀来进行调　

节．理论上可以将这部分能耗节省下来　由比　

例定律可知，离心式水泵的轴功率与转速的　

三次方成正比　。然而．在实际运行中由于工　

况及设备自身的要求．变频前后不一定满足　

相似条件。在这方面。大家对于变频的节能效　

果存在着许多模糊的认识．当系统存在净扬　程时，其节能效果应该在转变为相似条件．再　

进行计算．此外变频后电机频率的下限需根　

据具体情况采取必要的限制　

１变频前后离心泵工作点的相关参数　

及变换规律　

对于同一水泵．当输送的流体密度Ｐ不　

变仅转速改变时．其性能参数的变化遵循比　

例定律：流量Ｑ与转速ｎ成正比：扬程日与　

转速ｎ的二次方成正比：轴功率Ｐ则与转速ｎ　

的三次方成正比［４］　即：　

：　．旦一ｆ　１　．旦一ｆ　１　３　Ｏ　一ｎ　’Ｈ　一＼ｎ　Ｊ’Ｐ，一＼ｎ　』　

１．１闭式循环系统　

在闭式循环水系统中，水不与空气连通，　

整个循环系统中的净扬程Ｈｓｒ＝０．管路阻力曲　

线是一条通过坐标原点的二次抛物线．我们　知道若满足比例定律，则相似的两个工况点：　

Ｈ　ＩＨｚ＝Ｑ。ＶＱ２２＝ｎ　２２，如果令Ｈ　／Ｑ　Ｖ＝ＨＪＱ２２＝Ｋ，　

一

ｌｏ３一　区域供热２０１７．５期　

则有Ｈ＝ＫＱ　．即满足比例定律的相似工况点　

均分布在一条以原点为顶点的二次抛物线　

上＿５¨。当净扬程等于０时．管路特性曲线与相　

似工况抛物线重合．故变频前后的两个工况　

点流量比等于转速比．因此其节能计算可用　

比例定律直接求得　其闭式循环系统变频前　

后工况点的变化如图１所示　

图１　闭式循环系统变频时工况点的变化　

１．２开式循环系统　

对于开式循环系统．水与空气相通．由于　

取水面到出水面高差的存在．故而此时水泵　

的净扬程日　不为０，变频前后的两点（如图　

点与　点）就不在相似工况抛物线上．因　

此就不能直接使用比例定律．而是应将其实　

际工况转化为相似工况后（过原点与点做　

二次抛物线与曲线ｎ交于Ａ点．则　与４为　

Ｈ　

图２开式循环系统变频时工况点的变化　

一ｌＯ４一　Ｑ　相似工况点），才能用比例定律进行计算。特　

别是对于水泵．其静扬程一般都很大．如图２　

中．由于抛物线的性质．　点必然位于　点的　

左侧，即Ｑ　恒大于Ｑ　，则变速前后的流量比　

Ｑ　ＩＱＭｐ　Ｊ叵大于ＱＡ／Ｑ　。由于Ａ与　为相似工　

况点，根据比例定律Ｑ￣ＱＭ＇＝ｎｌｎ　，即Ｑ　ＩＱＭｔ＇叵　

大于ｎ　．故而变速前后的流量比恒大于转　

速比。管路性能曲线的静扬程越高．水泵性能　

曲线和管路性能曲线的夹角　就越小．则变　

速调节流量时．改变相同流量时的转速变化　

就越小．其轴功率的减小值也越小．变频可调　

性也越差　

２工频、变频组合运行状态下工作点及　

参数分析　

在确定水泵的调速范围时．应兼顾流量　

和扬程的要求．且要留有一定的扬程裕量　通　

常根据系统要求的最小扬程来确定最低转　

速　若最小扬程要求低于系统最小流量要求　

时．应当以流量要求为准　在开式循环系统中　

的循环泵常采用多台并联．此时在工作点的　

选取时应采用并联后工作点　如图３所示．　

Ｉ、Ⅱ两台性能相同的泵并联运行。但泵Ｉ与　

泵Ⅱ有一台为变速泵．另一台为定速泵。当变　

速泵与定速泵以相同的额定转速运行时．Ｉ　

和Ⅱ的并联性能曲线（Ｈ—Ｑ）并为Ⅲ．并联运　

行工况点为　

在并联运行中．当变速泵的转速由ｎ降　

低到ｎ　时，变速泵的流量减小，两台泵并联的　

总流量减少．但从图３ａ可以看出定速泵的流　

量却由Ｑ　增大到了Ｑ　。随着变速泵流量逐　

渐减小．两台泵并联的总流量逐渐减少．定速　

泵的流量逐渐增加　当变速泵的转速降低到　

某一转速值时．其输出流量为零．此时定速泵　

的流量由Ｑ　增大到Ｑ　，定速泵和并联的工况　

点都处在日点．这相当于一台定速泵单独运　

行　若变速泵转速进一步降低．且变速泵出口　

管路又未设置逆止阀时．就会出现定速泵部　

分流量向变速泵倒灌．这种现象在运行中是　

绝不允许发生的。同时，变速泵在Ｂ点运行，

　Ｈ　

Ｈｓｔ　

Ｑ　图３ａ两泵并联其中一台转速降低时　并联运行工况点的变化　

虽然已经不出水了．但是还要消耗空载功率．　

很不经济　当变速泵的转速由额定转速降低　

到该泵输出流量为零的转速时．定速泵的流　

量不断增大．扬程不断减小．这可能会导致定　

速泵产生过载或泵内汽蚀　为防止定速泵的　

过载和汽蚀．可在定速泵出口管路设置调节　

阀．必要时控制其流量。所以在并联运行中变　

速泵不能以　点为变频调节的最低转速．在　

实际运行中为了保证冬季系统不结冻．通常　限定变速泵的最低流量为　，此时其额定转　

速下对应的相似工况点的转速为Ｑ　，因此根　

据相似定律其最低转速的下限值不得低于ｎｅ　

（ＱｇＱａ　）。　当定速泵的数量增加．Ｂ点的扬程ＨＢ将　

升高．变速泵不出水的转速ｎＢ也将升高．变　

速泵的调速范围变小．调节效果及节能效果　

变差　。如图３ｂ．三台性能相同的泵并联运　

行．其中泵Ｉ和泵Ⅱ工频运行，泵Ⅲ为变速　

泵。泵Ｉ和泵Ⅱ并联的性能曲线为Ⅳ．泵Ｉ、　

泵Ⅱ、泵Ⅲ三台泵并联的性能曲线为Ｖ。当泵　

Ⅲ在变速调节至　点已不出水．此时相当于　

只有泵Ｉ和泵Ⅱ两台运行．变速泵变速调节　

的下限值必然在　点之上　同时可以看出三　

台泵并联相对于两台泵并联时　点流量增大　

和扬程升高．变速泵的调节范围减小很多　如　

果是三台以上的泵并联而只有一台泵采用变　

速调节．则变速泵不出水的转速Ｔ／，Ｂ将进一步　Ｈ　

Ｈａｔ　区域供热２０１７．５期　

Ｑ　图３ｂ三台泵并联其中一台转速降低时　并联运行工况点的变化　

变大。调速范围将会变得更小．变频的节能效　

果也会变得更差　

３实例分析　

某电厂由于机组负荷和气温的变化．为　

保证汽轮机的效率．需要保证凝汽器真空度　

的稳定．这就要求循环水流量有大幅度变化．　

显然用出口阀门来调节循环水的流量是达不　

到保证凝汽器真空度稳定目的的．只有采用　

变频调速才能实现动态快速调节循环水的流　

量。以下为水泵在不同工作点的节能分析。　

其有关参数如下：　

循环泵：　

６４ＬＫＸＡ一２Ｏ立式斜流泵　

额定流量：Ｑｅ＝１９７２６ｍ３／ｈ（５４８０１／ｓ）　

额定扬程：Ｈｅ＝２０ｍ　

额定转速：４２５ｒｐｓ　

电动机：　

ＹＫＳＬ１６００—．１４／１７３０－１　

额定功率：１６００ｋＷ　

额定电压：６０００Ｖ　

额定电流：２０３．３Ａ　

额定转速：４２５ｒｐｓ　

工频运行电流：１５４Ａ　

额定效率：９５％　

功率因数：０．８５　

电机效率：０．９　

变频效率：０．９　

一

ｌｏ５一　区域供热２０１７．５期　

Ｈ　

Ｈｓｔ　

图４水泵的相似抛物线　Ｑ　

如图４所示为循环水泵变频调速节能原　

理图（以Ａ　点为例），从图中可以得出：水泵　

的额定工况点为Ａ．循环水泵系统的静扬程　

Ｈａ＝１０．３ｍ．（水泵的关死点扬程约为３０米，静　

扬程占３０％左右）．８０％流量工况点为　

Ａ。，７０％流量工况点为Ａ　，６０％流量工况点为　

，对应的相似工况点分别为：Ａ１ｔ（１８８００ｍ３／ｈ，　

２２．５ｍ）、Ａ２　（１７６００ｍ３／ｈ，２３．４ｍ）、Ａ３　（１６２００　

ｍ３／ｈ，２５．２ｍ）。相应的转速则分别为：ｎｌ＝１５７８０／　

１　８８００＝８３．９％ｎ０；　

ｎ２＝１３８０８／１７６００＝７８．５％ｎｏ；　

ｎ３＝１　１　８３５／ｌ６２００＝７３．１％ｎｏ。　需要特别指出的是当水泵在变频调节时　

随着工况的变化水泵的效率也会随之变化．　

Ａ　、Ａ　、　，三个工况点分别是定频工况下的　

８７％、８２％、７６％。　消耗的电功率分别为：　

Ｐ】＝Ｐｚ￣０．８３９３／０．９５／０．９／０．８７＝１０８７．７ｋＷ　Ｐ２＝Ｐｚ￣０．７８５７０．９５／０．９／０．８２＝９４４．７ｋＷ　

Ｐ３＝Ｐｚ￣０．７３１３／０．９５／０．９／０．７６＝８２３．１ｋＷ　

这里额定轴功率：Ｐｚ＝５４８０１／ｓ￣２００ｋＰａ／０．８　

＝１３７０ｋＷ：　

电动机工频运行功率：Ｐｄ＝１．７３２￣６０００￣　

１５４￣０．８５＝１３６０ｋＷ。　

节电率分别为：２０．０％，３０．５％和３９．５％　

４结论　

１）当循环泵存在静扬程时．计算节能效　

果不能直接通过比例定律求得　

２）当两台以上循环泵并联运行时．变频　

泵的变频范围下限值不能过低　

３）在分析水泵变频调节的经济性时．应　

当充分考虑到水泵效率的变化　

参考文献　

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出版社．２００９．　［６］徐甫荣．风机水泵变频调速节能技术［Ｊ］．变频器世　界２０１１，（７）：ｔ１６—１１９．　

Ｊ止—“ＬＭＪ止　阜Ｌ儿　止ｊ止Ｊ止　．　Ｌ　Ｊ　—　Ｌ址　．　Ｌ龇　．￥　儿　４　“儿．　Ｌ儿ｊ止．　Ｌ儿一止－．　Ｌ“　—　Ｌ　儿　““儿　一止　

ｆ上接第８６页）管网没有发挥的供热能力，　

同时还不会影响原有热用户的运行参数．是　

解决管网发展受限问题、扩大管网供热规模　

的有效途径　

（４）两种热泵选型方案中．燃气吸收式热　

泵方案建设初投资较低、运行成本更低、利润　

更高、回水可利用温度范围更大、增加管网供　

热能力更高，建议优先采用该方案。　

一ｌｏ６一　参考文献　

［１］武智勇．一次网抽回水供热设计［Ｊ］．山西建筑，　

２０１３．２６（０９）：９６—９７　『２］张秀东．利用一次网回水直供来提高热电厂区域　供热能力［Ｊ］．水力采煤与管道运输，２０１１．１：６７—６８　［３］张世钢，江亿，等．赤峰市基于吸收式换热的热电　联产集中供热示范工程．暖通空调，２０１０．４０（１１）：　

７】－７５