谈水泵的节能效果

Method方法文献标识码:B文章编号:1003-0492(2004)05-0059-04中图分类号:TM921谈水泵的节能效果The Energy Saving Effect of Pumps飞索半导体有限公司、江苏苏州21501)张志奇摘要:对于用类比电路来分析水泵节能效果的方法提出了质疑、阐述了式中,I为电源电流,A;I1为R1支路中的电流,A;以水泵为代表的二次方律负载的分析方法,以及在不同场合的节能效12为R2支路中的电流,A如果I1=L2则:I=2I1关键词:类比电路:电压源电路;恒压差控制:冷冻泵(2)电源的输出功率Abstract: This paper argues against the method of analyses the energy saving因为电压为恒值,故有:effect of pumps with analogous circuit. It discusses the method of thePS=USIs=2US.Iquadratic load analysis take pump for example and the saving effect in式中,Ps为电源输出功率;kW;U、为电源电压;V接着将S2断开Key words: analogous circuit; voltage source circuit; constant pressure(1)因为L2=0A;所以电源电流减小为:I=l1difference control; cooling water pump(2)电源的输出功率P=Us·I=Us·I=P、2可见,当负载减少一条支路时,电源输出的功率将随引言电流成正比地减小笔者曾见到几篇文章论述水泵的节能效果只与转速的次方成正比。其基本论点是:水泵的恒压控制,可与具有稳压电源的电路相类比。而在由稳压电源供电的电路中,负和0--x载所消耗的功率是和电流的一次方成正比的。由此类推,得出水泵消耗的功率和流量〔从而转速)的一次方成正比的结Q3论。也有人认为,这种推理方法只对恒压差控制的循环水系统才是正确的。笔者认为;上述推理的结论既不符合实际理论上也有欠妥之处冷冻主机2电路与水路的相似与区别(a)恒压电路(b)恒压差控制的循环水系统图1恒压电路与水路2.1恒压电路的基本分析2.2恒压差控制的水路(1)恒压电路的含义当负载发生变化时,电压相对稳定的电路,称为电压中,如图1(b)所示恒压差控制的水路主要见于中央空调的冷冻水系统源电路,或恒压电路。通常指以下两种情况:①许多控制电路中常常配置稳压电路,使控制电压1)与电路的相似之处保持恒定容量比负载容量大得多的电源通常也认为是恒类似,能上看,恒压差控制的水系统和恒压源电路十分从形式压电路,如各工厂和家庭中的电网电源①关断一个楼层的水路,相当于切断一条支路的负(2)恒压电路的基本规律载;由恒压源供电的基本电路如图1(a)所⑦通过恒压差控制,使水泵两端的压力差保持恒定,首先令S1和S2都闭合,则和电路中的电压〔等于电位差)保持恒定也完全类似①电流间的关系(2)与电路的不同之处①电路工作的基本规律服从于欧姆定律,电路中电Is=I1+12()流与电压之间通常是线性关系;而水路工作的基本规律服从于伯努利方程,为了维持一定的流量,水路所需扬程的主要收稿日期:2004-06-24修改日期:2004-07-21作者简介:张志奇[1964-),男江苏海门人,高级工程师,学士部分是水在输出中国煤化工玄说明流量与扬研究方向为半导体器件,工业自动程之间是非线性CNMHG点击中国自动化控制网,获取业内最新咨讯www.kongzhi.netMethod-方法电动水泵是一个电力拖动系统,它还必须符合电K力拖动的规律95503水泵运行的基本分析=Kno n,+Kp-I,=P+Kp. n,式中,P。为水泵的空载功率或损耗功率,kW;Kpo3.1水泵的机械特性空载功率比例常数;K为功率比例常数水泵的种类繁多,离心式水泵较为典型,应用也较广,在损耗功率忽略不计的情况下,负载的功率P与转速所以在此只对离心式水泵进行分析n1的三次方成正比:(1)机械特性的定义P(7)任何机械在运行过程中,都有阻碍运动的力或转矩,32水路系统中的空载转矩与空载功率称之为阻力或阻转矩,通常称为负载转矩·水泵的机械特性,(1)供水系统的特点也就是水泵的阻转矩与转速的关系(2)水泵的机械特性水泵以使流体获得一定的流量为目的。其阻转矩主要由流体〔水)对叶片的反作用力构成。由于流体本身无一定形状,且在一定程度上具有可压缩性,故难以详细分析其阻生舌小区转矩的形成,本文将只引用有关的结论M地P①转矩特点离心式水泵的阻转矩T的主体部分与转速n1的二次方T=To+K式中,T1为负载〔水泵)的阻转矩,NmT。为空载转(a)基本构成把l二矩,意思是即使在流量为0〔没有水)的情况下;也必须克服的转矩它主要由摩擦力及传动机构的损失等构成,故也叫损耗转矩,Nm;Kr为转矩比例常数;n为负载〔水泵)的转速,rmin式(3是离心式水泵的机械特性方程,其机械特性曲线如图2所示(r/min)(b)扬程特性(c)管阻特性A图3供水系统的基本构成与特性供水系统的基本构成如图3(a所示.图中,M是电动机,P是水泵;Q是水的流量,H是实际扬程,也是水泵必须克服的基本扬程。众所周知,供水系统有两个基本特性:①扬程特性,是在阀门开度不变的前提下,全扬程与流量的关系,如图3(b)所示。由图3(b)知,扬程特性的起To T TE T, N点是理想空载时的全扬程。随着流量的增大:由于管路内损图2离心式水泵的机械特性失的增加,全扬程将有所下降由于式(3)中的T所占比例很小,常可忽略不计,故有管阻特性,是在电动机转速不变的前提下,全扬, KTnL程与流量的关系,如图3(c)所示。管阻特性说明的是:扬程所以,离心式水泵通常作为二次方律负载的代表之越大,管路中的流量也越大。其起点是实际扬程H物理需要强调的是:水泵的这种特性,是由水泵的叶片的结构决定的,它并不因为控制方式的不同而改变,也不因水意义是:如果全扬程低于实际扬程的话,管路中的流量为0路系统结构的复杂化而改变根据伯努利方程,管阻特性的表达式是:H=HA+KR.Q-3)功率特点式中,H为全扬程,m;H为实际扬程,m;K为管仼何机械的机械功率都与转矩和转速的乘积成正比阻比例常数(2)供水系统的功率式中,P1为水泵的功率,kW供水系统的供水功*场和洛的乖和成正比中国煤化工将式(3代入式(5),得式中,P为供才CNMHG60点击中国自动化控制网,获取业内最新咨讯www.kongzhi.netMethod方法在供水系统中,流量和转速是成正比ε如图4(a),曲线Φ是在额定转速下的扬程特性;曲线②(10)是在阀门全开状态下的管阻特性。交点N便是工作点,这时式中,K。为比例常数,其数值和阀门开度有关即式(10)流量为Q扬程为H供水功率P与面积OANB成正比只有在阀门开度一定时才有意义2)调速与节能代入式(9),得:供水系统可以通过调节水泵的转速来调节流量,如图H4(b所示当转速下降为nx时,扬程特性下移为曲线③,系统的工作点移至X点这时,流量为Q3扬程为Hx供水功率P与面积OCXD成正比与图4(a)相比,面积式中,P为供水系统的空载功率,kWKp、KP为比 DXCANB便是节约的供水功率△P例常数,它们的数值大小和阀门开度有关图4(b)还表明,在阀门全开的状态下,供水系统的最比较式(11)和式(6),可以看出:供水功率的表达式与二大扬程是水泵的额定扬程H最小扬程是实际扬程H因次方律负载功率表达式的结构完全相同此:供水系统的调速范围:将取决于额定扬程和实际扬程的(3)供水系统的空载功率差值△式(11)和式(6中,最大的区别在于空载功率的含义△H=HH式(6)中的P是水泵的空载功率,意思是即使水泵空转需要说明的是:在分析变频调速的节能效果时,通常也必须消耗的功率是和调节阀门开度的方法相比较而言的.对此,在许多文章式(11)中的P是供水系统的空载功率,意思是在尚未中,已有相当详尽的论述,本文不再赘述向用户供水之前,必须消耗的功率,其数值和实际扬程的大(3)关于恒压供水系统小有关。就是说,水泵的供水能力必须首先克服了实际扬程Φ变频调速恒压供水系统是以管路中的阀门全开为之后,才能向用户供水。在一个比较复杂的水路系统中前提的。迄今为止,这样的系统并不少见,笔者曾参与过不载功率还可能和其他因素有关少大楼和小区的恒压供水工程,无一例外各种杂志上介绍十分明显的是,空载功率所占的比例越大,调节转速的许多关于恒压供水系统实现变频调速的经验,也基本如所导致的节能效果越差此还必须说明的是,式(1)只有在阀门开度不变的情况下⑦变频调速恒压供水系统是通过PID调节功能来实才有意现的。并且,由于受到实际扬程和管网中其他因素的限制(4)P和P的区别的下限频率不可能很低,所以,转速的允许调节范围Pa是水泵在供水过程中消耗的功率,是水泵的输出功是不大的.如果在调速的同时,也调节阀门开度的话;就节率;P是电动机轴上的负载功率,是水泵的输入功率.P。能效果而言,意义似乎不大与P之比;是水泵的效率np4,2循环水系统在实现变频调速后的节能效果(12)(1)循环水系统的特点P所以,式(11)与式(6虽然结构和意义相近,但不能完全和8等同音音4不同水系统的节能分析4.1供水系统在实现变频调速后的节能效果(1)供水系统的工作点HH冷冻主机2SP2(NH(a)循环水系统C图5循环水系统的特点0循环水系统的典型例子是中央空调的冷冻水系统,如(a)供水系统的工作点(b)调速的节能效果图5(a)所示,其等效管路如图5(b),它相当于一个联通器4供水系统的工作点与调速节能在静止状态下,两侧管路的水位永远是相同的在水泵运行供水系统中,扬程特性与管阻特性的交点;便是其工时,所需的实际中国煤化工果是作点①式(11)CNMHG列将很小,故平点击中国自动化控制网,获取业内最新咨讯www.kongzhi.net61Method-方法转速下降后的节能效果将十分显⑧恒压差控制的结果。变频器在得到压差偏大的信因为H=0,故转速的调节范围将十分宽广,根据号后,将通过PID调节功能适当地降低输出频率,使水泵的实践经验,最低工作频率甚至可达15Hz以下转速下降,从而保持压差的恒定。如图6(d所示,水泵的转笔者在承接一个二十层高楼的中央空调系统的冷冻水速下降后,扬程特性将下降为曲线国,工作点移至Ⅹ点.这和冷却水的变频调速系统时,曾有人怀疑:频率下降后,冷时:冻水会不会上不去?但后来的实践证明,上述疑虑是完全多扬程将降低为Hb流量减小为Qx由于用水管路减少了一半;故Q(2)冷冻水的恒压差控制也应等于额定流量的一半Φ恒压差控制要点。某些宾馆的冷冻水系统常常根c压差恢复到与图6(a)时相等,即实现了恒压差控制;据旅客的入住率而将部分无人入住楼层的冷冻水阀门关闭,d水泵的输出功率与面积OCXD成正比,与图6(c)相使水泵进水侧和出水侧之间的压力差发生变化。对此,控制比,节约功率与面积 BNACXD成正比.可见,节能效果是方法之一是通过变频调速实现″恒压差控制十分明显的。事实上,笔者曾参与过5家高楼中央空调冷冻如图6a)和6(c)所示,压力传感器SP1和SP2分别测水与冷却水系统的变频调速改造,多数回收设备投资的时间定水泵的进水压力和出水压力,测得的信号接至压差控制不足半年,深受好评器,将两者的压力之差转换成电流信号X,作为反馈信号5结语接至变频器。使变频器的输岀频率〔从而水泵的转速)得到调整(1)水泵运行系统属于电力拖动系统的一种,对其运行状态的分析必须符合电力拖动的相关规律垂8-8(2)水路中流体的流动和电路中的电流确有相似之处。但是电路服从于欧姆定律,由于电阻通常是常数,故电流与电压之间呈线性关系;而水路服从于伯努利方程,且管阻特性是非线性的,故水路和电路不能简单地类比SP2(3)必须注意水泵的空载功率与水路系统空载功率的冷涤主机冷冻主机①两者都是输出流量等于0时的功率损耗,这是它(a)楼层全开(c)关闭一层们的相同之处H①⑦水泵的空载功率主要由水泵和传动机构的摩擦损失等构成;而水路系统的空载功率则还和实际扬程的大小有关(4)通过水路系统分析的功率是水泵的输出功率,而通过机械特性分析的功率是水泵的输入功率敬请关注b)对应工作点d)对应工作点图6恒压差控制的循环水系统2004年专版主题⑦入住率较高时的情形.入住率较高时,假设水泵运行在额定转速下扬程特性为曲线Φ,管阻特性为曲线⑦,2月管控一体化系统的工作点为N点。这时a扬程为额定扬程H,4月机电控制与传动技术b流量也是额定流量Q5月控制系统与工控软件解决方案c水泵的输出功率与面积OANB成正比6月工控机与PLC③入住率较低时的情形。当入住率较低时,将关闭个楼层。管阻特性由图6(b)中的曲线②变为图6(d中的曲8月现场总线与工业以太网线④,工作点移至S点.这时9月工厂信息化应用案例a扬程将因管路“变窄”而升高至Hs10月仪器与测控b流量下降为Qs由于流速加快,故流量不会下降12月自动控制与自动化软件半;c由于水泵转速仍为额定转速,水泵的供水能力大于中国煤化工∞管路流量,故出口压力上升,压差升高CNMHG62点击中国自动化控制网,获取业内最新咨讯www.kongzhi.net