试论离心式水泵的节能问题

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1、试论离心式水泵的节能问题作者：飞索半导体有限公司张志奇　湖北省宜昌市自动化研究所张燕宾1引言离心式水泵是二次方律负载的主要代表之一，故本文将根据水路管道系统的不同特点，对二次方律负载的节能效果进行讨论。2节能效果的考察部位2.1供水系统的基本模型与不同部位的功率(1)变频调速供水系统的基本模型变频调速供水系统中,能量转换的环节较多,为了便于说明问题,这里首先画出供水系统的基本模型如图1所示。图1中:图1供水系统的基本模型·uf—变频器，用于将工频电源转换成频率任意可调的电源，提供给电动机并调节其转速，其输入功率为p1，输出功率为。·m—

2、电动机，是把电能转换成机械能的装置，也是整个供水系统的动力源。它输入电功率，并在轴上输出机械功率pl，带动水泵旋转。·p—水泵，是把机械能转换成输送水能的装置，也可以看成是供水源。它从电动机输入机械功率pl，并把水池中的水压入输水管道中，以便向用户供水，其输出功率便是供水功率。·sp—压力传感器，用于测量供水压力。(2)节能效果的最终着眼点当我们讨论变频调速供水系统的节能效果时，首先必须明确:归根结底，应该由整个系统耗用电能的多少来判定。就是说，在改变频率前后，p1变化量δp1的大小，才是真正衡量节能多少的指标。但在许多文献中，这一点似

3、乎往往被忽视了。2.2供水系统的功率传递关系(1)供水功率是供水系统向用户供水时所消耗的功率，也是水泵的输出功率，用pg表示。由于管路中的水流量除了和水泵的转速有关外，还和管路的结构、阀门的开度等等因素有关，因此，难以用简单的公式来计算，习惯上是通过扬程特性和管阻特性来进行分析的。不少文章在分析变频调速的节能效果时，往往只根据扬程特性和管阻特性来进行分析，并得出关于系统节能效果的结论，这是有失偏颇的。从图1可知，供水功率pg是并不能等同于系统的耗电功率p1的。(2)电动机轴上的负载功率电动机的输出功率,就是水泵的输入功率,用pl表示。p

4、l和pg间的关系取决于水泵的效率ηp:有必要指出，由电动机来拖动水泵旋转，属于电力拖动的范畴。因此，在分析其功率关系时，必须符合电力拖动的运行规律。(3)系统消耗的电功率在图1中，p1指变频器的输入功率;p1′指电动机的输入功率,或变频器的输出功率。但由于变频器本身的功耗所占比例很小,且和工作频率关系不大。故可以粗略地认为:p1′和pl间的关系取决于电动机的效率ηm:对于电动机输入侧的节能，往往并不为分析者所重视。其实，由于水泵在低速时的阻转矩减小较多，电动机容易处于“大马拉小车”的状态，效率和功率因数都较低。如果不注意调整变频器的各项

5、功能，会影响整个系统的节能效果。反之，正确地预置变频器的功能，可使电动机处于最佳运行状态，进一步实现节能。下面，就各部分的功率逐一进行讨论。3水泵的供水功率3.1供水系统的基本参数(1)流量是单位时间内泵所排出的液体，符号是q，单位是ｍ3/s或kg/s。(2)扬程单位重的液体，从泵的进口到出口所获得的有效能量，符号是h，单位是j/n或j/ｍ。泵的扬程常称为全扬程或总扬程，它包括:(a)将液体上扬到一定高度所需的能量;(b)克服液体在管路内的流动阻力(管阻)所需的能量；(c)使液体有一定的流速所需的能量。(3)实际扬程供水系统中，为了提供

6、一定流量需要上扬的最小高度，称为实际扬程，符号是ｈa。在图2中，ｈa体现为从水平面到管路最高处之间的扬程。3.2供水系统的特性与工作点(1)扬程特性(a)定义　以管路中的阀门开度不变为前提，表明在某一转速下，扬程与流量间关系的特性ｈ＝f(ｑ)，称为扬程特性，如图2(a)中的曲线①所示。图2供水系统的扬程特性(b)物理意义　扬程特性反映了用户用水流量的大小对扬程的影响:用户的用水流量越大，则管道中的磨擦损失也越大，供水系统的扬程将越小。水泵是管道系统中供水源，所以，扬程特性相当于水泵的“外特性”(类似于电源的外特性)。(c)扬程特性与转速

7、有关　水泵的转速下降，其供水能力也下降，扬程特性将下移，如图2(b)中之曲线②所示。(2)管阻特性(a)定义以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程与流量间关系的曲线ｈ＝f(ｑ)，称为管阻特性曲线，如图3(a)中的曲线①所示。图3供水系统的管阻特性(b)物理意义管阻特性实际上是管道系统的负载特性，它说明了:为了在管路内得到一定量的流量所需要的扬程。管阻特性的起始扬程等于实际扬程(ｈa)。其物理意义是:如果扬程小于实际扬程的话，将不足以克服管路的管阻，从而不能向用户供水。因此，实际扬程可以认为是供水系统中的“空载扬程”。(c)近

8、似表达式管道系统中的流量和扬程间的关系服从于柏努利方程，其近似表达式是:(d)管阻特性与阀门的开度有关当阀门关小时，管阻系数将增大，管阻也增大，在扬程相同的情况下，流量将越小。故管阻特性将上扬，如图3(b)