離心泵變頻技術(shù)分析與應(yīng)用

李 譽(yù) 汪 靜

（兗礦集團(tuán)濟(jì)寧二號煤礦運(yùn)轉(zhuǎn)工區(qū)，山東 濟(jì)寧 272072）

1 離心泵應(yīng)用簡介

鐵運(yùn)處水電段負(fù)責(zé)著全處生產(chǎn)和生活用水的供應(yīng)，水泵設(shè)備數(shù)量和種類較多，離心泵在供水工作中起著重要的作用，主要應(yīng)用分布在處機(jī)關(guān)、北漸、大東、機(jī)務(wù)廠區(qū)、常營、北宿、孟樓、電廠等站點(diǎn)。

離心泵是葉片泵，葉片泵的特點(diǎn)就是依靠葉輪的高速旋轉(zhuǎn)把動力機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為抽送液體的動能和壓能，由物理學(xué)可知，作圓周運(yùn)動的物體受到離心力的作用，如果向心力不足或失去向心力，物體由于慣性就會沿圓周的切線方向飛出，形成所謂的離心運(yùn)動，離心泵就是利用這種慣性離心運(yùn)動而進(jìn)行工作的。

離心泵的工作過程，實(shí)際上是一個(gè)能量傳遞和轉(zhuǎn)換的過程，它把動力機(jī)械能轉(zhuǎn)換為被輸送流體的動能和壓能。在這個(gè)能量的傳遞和轉(zhuǎn)換過程中，必然伴隨著諸多能量的損失，這種損失越大，工作效能越低，導(dǎo)致泵的性能就越差。

隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，電力工業(yè)雖然有了長足進(jìn)步，但能源的浪費(fèi)卻是相當(dāng)驚人的。據(jù)有關(guān)資料報(bào)導(dǎo)，我國風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)總量約4200 萬臺，裝機(jī)容量約1.1 億千瓦。但系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效率僅為30～40%，其損耗電能占總發(fā)電量的38%以上。這是由于許多風(fēng)機(jī)、水泵的拖動電機(jī)處于恒速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，而生產(chǎn)中的風(fēng)、水流量要求處于變工況運(yùn)行；還有許多企業(yè)在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，容量選擇得較大，系統(tǒng)匹配不合理，往往是“大馬拉小車”，造成大量的能源浪費(fèi)。因此，搞好風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能工作，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。

鐵運(yùn)處水電段水泵數(shù)量較多，而且工況復(fù)雜，因此，以離心泵變頻調(diào)速為例，進(jìn)行變頻應(yīng)用于水泵的調(diào)速的研究，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的目的，做好水泵的節(jié)能工作，對鐵運(yùn)處水電段的生產(chǎn)和生活工作具有重大的意義，

2 離心泵變頻調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理

圖1 離心泵閥門調(diào)節(jié)功耗示意圖

圖1 為離心泵用閥門控制時(shí)，當(dāng)流量Q（橫坐標(biāo)）要求從Q1 減小到Q2，必須關(guān)小閥門。這時(shí)閥門的磨擦阻力變大，管路曲線從R 移到R′，揚(yáng)程H（縱坐標(biāo)）則從Ha 上升到Hb，運(yùn)行工況點(diǎn)從a 點(diǎn)移到b 點(diǎn)。

圖2 離心泵變速調(diào)節(jié)功耗示意圖

圖2 為調(diào)速控制時(shí)，當(dāng)流量要求從Q1 減小到Q2，由于阻力曲線R 不變，泵的特性取決于轉(zhuǎn)速。如把速度從n 降到n′，性能曲線由（QH）變?yōu)椋≦-H）′，運(yùn)行工況點(diǎn)則從a 點(diǎn)移到c 點(diǎn)，揚(yáng)程從Ha 下降到Hc。

根據(jù)離心泵的特性曲線公式：

N＝ρgQH／η

式中，N——離心泵使用工況軸功率（kw）

Q——使用工況點(diǎn)的流量（m3／s）；

H——使用工況點(diǎn)的揚(yáng)程（m）；

ρ——液體的密度，清水為1000 kg／m3（kg／m3）；

g——重力加速度（m／s2）；

η——使用工況點(diǎn)的泵效率（%）。

可求出運(yùn)行在b 點(diǎn)泵的軸功率和c 點(diǎn)泵的軸功率分別為：

Nb＝ρgQ2Hb／η

Nc＝ρgQ2Hc／η

兩者之差為：ΔN＝Nc—Nb＝ρgQ2（Hb-Hc）／η

也就是說，用閥門控制流量時(shí)，ΔN 功率被損耗浪費(fèi)掉了，且隨著閥門不斷關(guān)小，這個(gè)損耗還要增加。而用轉(zhuǎn)速控制時(shí)，由于流量Q 與轉(zhuǎn)速n 的一次方成正比；揚(yáng)程H 與轉(zhuǎn)速n 的平方成正比；軸功率P 與轉(zhuǎn)速n 的立方成正比，即功率與轉(zhuǎn)速n 成3 次方的關(guān)系下降。如果不是用關(guān)小閥門的方法，而是把電機(jī)轉(zhuǎn)速降下來，那么在運(yùn)轉(zhuǎn)同樣流量的情況下，原來消耗在閥門的功率就可以全避免，取得良好的節(jié)能效果，這就是離心泵調(diào)速節(jié)能原理。

3 變頻調(diào)速的基本原理

產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流的必要條件是轉(zhuǎn)子繞組切割定子磁場的磁力線。因此，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n 必須低于定子磁場的轉(zhuǎn)速n0，兩者之差稱為轉(zhuǎn)差：

Δn＝n0-n

轉(zhuǎn)差與定子磁場轉(zhuǎn)速（常稱為同步轉(zhuǎn)速）之比，稱為轉(zhuǎn)差率：

s＝Δn/n0

同步轉(zhuǎn)速n0由下式?jīng)Q定：

n0＝60f/p

式中，f——水泵電機(jī)的電源頻率；

p——為電機(jī)的極對數(shù)。

變頻調(diào)速的基本原理是根據(jù)交流電動機(jī)工作原理中的轉(zhuǎn)速關(guān)系：

n＝60f（1-s）／p

式中，f——離心泵電機(jī)的電源頻率（Hz）；

p——電機(jī)的極對數(shù)；由上式可知，均勻改變電動機(jī)定子繞組的電源頻率f，就可以平滑地改變電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。電動機(jī)轉(zhuǎn)速變慢，軸功率就相應(yīng)減少，電動機(jī)輸入功率也隨之減少，這就是離心泵變頻調(diào)速的節(jié)能作用。

4 水泵變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

變頻調(diào)速器的控制可以使自動的，也可以使手動的，目前，國內(nèi)在水泵控制系統(tǒng)中使用變頻調(diào)速技術(shù)，大部分是在開環(huán)狀態(tài)下，即人為地根據(jù)工藝或外界條件的變化來改變變頻器的頻率值，以達(dá)到調(diào)速目的。

系統(tǒng)主要由四部分組成：(1)控制對象；(2)變頻調(diào)速器；(3)壓力測量變送器（PT）；(4)調(diào)節(jié)器（PID）。

例如壓力測量變送器（PT）選用DLK100-OA/0-1Mpa，用于控制水管出水口壓力，并將壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)?～20mA，再輸入調(diào)節(jié)器；調(diào)節(jié)器（PID）選用WP～D905，輸入信號4～20 mA，輸出為PID 控制信號44～20mA。

系統(tǒng)的控制過程為：由壓力測量變送器將水管出口壓力測出，并轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的4～20mA 標(biāo)準(zhǔn)電信號，送到調(diào)節(jié)器與工藝所需的控制指標(biāo)進(jìn)行比較，得出偏差，其偏差值由調(diào)節(jié)器按預(yù)先規(guī)定的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算得出調(diào)節(jié)信號，該信號直接送到變頻調(diào)速器。變頻調(diào)速器是把工頻電源50Hz 變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆成交流電，從而變頻器將輸入為380V/50Hz 的交流電變成輸出為0～380V/0～400Hz連續(xù)可調(diào)電壓與頻率的交流電，直接供給離心泵泵電機(jī)。

5 離心泵變頻調(diào)速應(yīng)用的注意事項(xiàng)

離心泵調(diào)速一般是減速問題，當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，原來按工頻狀態(tài)設(shè)計(jì)的泵與電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)均發(fā)生了較大的變化，另外如管路特性曲線、與調(diào)速泵并列運(yùn)行的定速泵等因素，都會對調(diào)速的范圍產(chǎn)生一定影響。超范圍調(diào)速則難以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。因此，變頻調(diào)速不可能無限制調(diào)速。一般認(rèn)為，變頻調(diào)速不宜低于額定轉(zhuǎn)速50%，最好處于75%～100%，并應(yīng)結(jié)合實(shí)際經(jīng)計(jì)算確定。

5.1 離心泵工藝特點(diǎn)對調(diào)速范圍的影響

理論上，水泵調(diào)速高效區(qū)為通過工頻高效區(qū)左右端點(diǎn)的兩條相似工況拋物線的中間區(qū)域。實(shí)際上，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速過小時(shí)，泵的效率將急劇下降，受此影響，水泵調(diào)速高效區(qū)萎縮，若運(yùn)行工況點(diǎn)已超出該區(qū)域，則不宜采用調(diào)速來節(jié)能了。

5.2 定速泵對調(diào)速范圍的影響

實(shí)踐中，鐵運(yùn)處水電段水泵房大多是兩臺水泵并聯(lián)供水，由于投資昂貴，不可能將所有水泵全部調(diào)速，所以一般采用調(diào)速泵和定速泵混合供水。在這樣的系統(tǒng)中，應(yīng)注意確保調(diào)速泵與定速泵都能在高效段運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)。此時(shí)，定速泵就對與之并列運(yùn)行的調(diào)速泵的調(diào)速范圍產(chǎn)生了較大的影響。主要分以下兩種情況：

一種情況是同型號水泵一調(diào)一定并列運(yùn)行時(shí)，雖然調(diào)度靈活，但由于無法兼顧調(diào)速泵與定速泵的高效工作段，因此，此種情況下調(diào)速運(yùn)行的范圍是很小的。

另一種情況是不同型號水泵一調(diào)一定并列運(yùn)行時(shí)，若能達(dá)到調(diào)速泵在額定轉(zhuǎn)速時(shí)高效段右端點(diǎn)揚(yáng)程與定速泵高效段左端點(diǎn)揚(yáng)程相等。則可實(shí)現(xiàn)最大范圍的調(diào)速運(yùn)行，但此時(shí)調(diào)速泵與定速泵絕對不允許互換后并列運(yùn)行。

5.3 電機(jī)效率對調(diào)速范圍的影響

在工況相似的情況下，一般有N∝n3，因此隨著轉(zhuǎn)速的下降，軸功率會急劇下降，但若電機(jī)輸出功率過度偏移額定功率或者工作頻率過度偏移工頻，都會使電機(jī)效率下降過快，最終都影響到整個(gè)水泵機(jī)組的效率。

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