循環(huán)水泵非同步調(diào)速運(yùn)行時的不合理性分析張敏吉林市燃?xì)鉄崃υO(shè)計研究院有限公司吉林132000摘要:盡管人們對水泵采用變速調(diào)節(jié)所帶來的節(jié)能效果早已熟知，但對供暖系統(tǒng)循環(huán)水泵并聯(lián)運(yùn)行究競應(yīng)采用何種調(diào)節(jié)方式才能使其節(jié)能效果更好，仍然還存在著一-定的認(rèn)識問題。本文以兩臺供暖循環(huán)水泵并聯(lián)為例，用解析的方法對變工況下分別采用同步調(diào)速與非同步調(diào)速運(yùn)行狀況及能耗進(jìn)行了分析和計算，闡明了目前較為普遍采用的非同步調(diào)速運(yùn)行方式的不合理性并對由此所引發(fā)的問題進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞:循環(huán)水泵;工況變化;變速調(diào)節(jié);經(jīng)濟(jì)分析中圖分類號: U464. 138+. 1文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A文 章編號:1前言關(guān)于如何進(jìn)一步提高泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率一直是人們所關(guān)注的焦點(diǎn)問題之--。為了能滿足熱負(fù)荷的變化及調(diào)節(jié)靈活的需要，--般供暖循環(huán)水泵常以并聯(lián)運(yùn)行方式居多。但在并聯(lián)運(yùn)行時究竟應(yīng)如何調(diào)節(jié)才能達(dá)到最佳節(jié)能效果卻有不同認(rèn)識，有關(guān)資料[1]就認(rèn)為，“隨著節(jié)能的需要和調(diào)節(jié)流量的方便，調(diào)速水泵與恒速水泵并聯(lián)將是必然趨勢”。通過對目前一-些供暖系統(tǒng)有關(guān)循環(huán)水泵并聯(lián)運(yùn)行方式的調(diào)查,確認(rèn)有不少系統(tǒng)就是采用這種非同步調(diào)速的方法進(jìn)行調(diào)節(jié)的。那么，是否認(rèn)為這種運(yùn)行方式一定就是最合理的?下面筆者將以兩臺循環(huán)水泵并聯(lián)調(diào)速運(yùn)行為例，通過理論計算并對其結(jié)果進(jìn)行分析，證明這-運(yùn)行方式的不合理性之所在。2水泵的特性曲線與工況點(diǎn)的變化圖1所示為兩泵并聯(lián)運(yùn)行特性曲線，其中0點(diǎn)為設(shè)計工況，i點(diǎn)為變化工況。如果流量由原來的設(shè)計值Q0變化到Q,我們可采用調(diào)速的方法來達(dá)到這一-目 的，其調(diào)節(jié)方式有兩種,即兩臺泵同時調(diào)速或一臺泵保持額定轉(zhuǎn)速而另一臺泵調(diào)速。為了研究這兩種調(diào)節(jié)方式的運(yùn)行狀況，這里首先應(yīng)了解水泵在不同運(yùn)行工況下其特性曲線的變化情況。一般情況下，泵樣本中的相關(guān)特性總是以額定轉(zhuǎn)速no下的曲線來表示的。離心泵的H-Q和n-Q特性曲線一般可分別用一個多項通式表示。為使其擬合計算的簡化且又能滿足工程實(shí)際需要，這里僅取多項式中前三項為擬合的形式，如在額定轉(zhuǎn)速no下它們的特性曲線方程可表示為:η-QH4H= A0+ AQ+ A2Q2(1)η= BQ+B2Q2+ B,Q' J/G(mx)li+hi閉式循環(huán)系統(tǒng)的管路特性曲線方程、n- 般表示為:*1H=sQ2(2)in"i+no .式中H- 水泵的揚(yáng)程，mH2O;中國煤化工YHCNMH G圖1兩并聯(lián)水泵不同調(diào)節(jié)方式的特性曲線11-單臺泵額定轉(zhuǎn)速no時的特性曲線;Q - -水泵的流量，m3/s;1-單臺泵非額定轉(zhuǎn)速mi時的特性曲線;n -水泵的效率，%;1+1-兩臺泵并聯(lián)同步額定轉(zhuǎn)速o時的特性曲線:S- -管路系統(tǒng)的阻力數(shù)，s2/m*;I+1I-兩臺泵并聯(lián)同步非額定轉(zhuǎn)速mn:時的特性曲線;A0、A小、 A2-泵H-Q曲線擬合系數(shù);I' +1-兩臺泵非同步轉(zhuǎn)速時no+mn的特性曲線;B1、B2、 Bs 一泵n-Q曲線擬合系數(shù)。G(na)-管路特性曲線 (或0、i點(diǎn)的等效曲線);3單臺泵特性曲線的擬合[213.1單臺泵額定轉(zhuǎn)速no時其特性曲線I的擬合nea'、na" -01、i點(diǎn)和iv is 點(diǎn)的等效曲線。現(xiàn)以“SLWR-250-250”型水泵為例,求得各擬合系數(shù)分別為Ao= 83.6304、41=294.2162.A2 =-4055. 1990; Bi= 14.6636、B2= 11.2635、B 3=-810.2534，因此可得其曲線方程H-Q和n-Q分別為:H = 83.6304 + 294.2162Q - 4055.1990Q2(3)η= 14.6636Q+ 11.2635Q2 - 810.2534Q33.2單臺泵非額定轉(zhuǎn)速n;時其特性曲線I;的擬合為適應(yīng)變流量Qi的需要,根據(jù)泵的相似理論有no Q。 Ho2i_(H)2，并將該式代入式(1)中可得泵在非額定轉(zhuǎn)速n;時的特性曲線1I擬合方程為:n;H=4[" |一+4.-Q+A2Q2(4)no)4兩臺泵并聯(lián)時合成的特性曲線擬合4.1兩臺泵并聯(lián)同為額定轉(zhuǎn)速no時其合成特性曲線I+I的擬合圖1中的曲線I+I為兩臺同型號水泵并聯(lián)運(yùn)行合成后的特性曲線。該曲線與管路特性曲線G的交點(diǎn)0為兩臺泵并聯(lián)運(yùn)行時的工作點(diǎn)，且每臺泵的工作點(diǎn)為01。關(guān)于特性曲線I+I的方程仍可參照式(1) 進(jìn)行擬合?，F(xiàn)假定該曲線的方程為:H =C。+CQ +C2Q2(5)式中:Co、C1C2-為兩臺泵并聯(lián)后合成曲線的擬合系數(shù)。根據(jù)“并聯(lián)運(yùn)行時各泵的流量相疊加、揚(yáng)程不變”的原理可知，在工況點(diǎn)0處有:Qo =2Qo，Ho=Ho,(6)因?yàn)閳D中工況點(diǎn)0,仍在曲線I上，故應(yīng)滿足方程式(1)， 即有:Hq=Ao+AQo+A2Q(7)而工況點(diǎn)0在曲線I+I，故也應(yīng)滿足方程式(5)， 即H=Co+CQo+C2O中國煤化工(8)將式(6)、 (7)、 (8) 聯(lián)立求解可得:MHCNM HG2A。+ A20 +A2Q7, =C。+2CQo +4C22(9)從式(9) 可以看出，等式兩邊同冪次的系數(shù)應(yīng)分別相等，因此有:C。=Ao，Ci=號A，C2=一A2(10;現(xiàn)將(10)代入式(5)中，最后可得兩泵并聯(lián)運(yùn)行后其特性曲線I+I的擬合方程為:H=A, +-4Q +-A2Q2(11)4.2兩臺泵并聯(lián)同步調(diào)速n;時其合成特性曲線I+I;的擬合同理，根據(jù)水泵并聯(lián)運(yùn)行時工作特點(diǎn)，并參照式(11) 的導(dǎo)出過程，同樣可以得到曲線I+1;的擬合方程為:(n1H=A0"|.442Q2(12)t。 )若此時要確定某- -變 工況i點(diǎn)流量Q;下兩泵的轉(zhuǎn)速n;,可再將式(12)、(2)聯(lián)立，最后可求得兩臺水泵在轉(zhuǎn)速均為n;時與流量Q;變化的函數(shù)關(guān)系的表達(dá)式為:24.2, +4Q;-440A4-sJe;n; =.no(13)2A04.3轉(zhuǎn)速分別為no和n;'時兩臺泵并聯(lián)其特性曲線I/' +1;的擬合除了兩泵同步調(diào)速外，如果采用非同步調(diào)速同樣也可以滿足變流量的需要，其并聯(lián)合成后的特性曲線見圖1中I’+1線。從圖中可以看到，這種運(yùn)行方式可提供給系統(tǒng)的最大揚(yáng)程是由曲線I;'的最高點(diǎn)所決定的，即一旦調(diào)速的水泵的轉(zhuǎn)速已給定，那么這兩臺泵并聯(lián)運(yùn)行的最大揚(yáng)程也就確定。因?yàn)樵诠r點(diǎn)i處有H;=Hq =H{而使H;=(H; +H,)/2，則根據(jù)式(1)及式(4)，所以有兩臺泵并聯(lián)非同步調(diào)速時的特性曲線方程I'+I為:01+、no)A420; +02 )(14)A-√4-444.-sQ?)其中:2A2[Q, =Q-Q，此時調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速n;'可根據(jù)式(3)確定:- AQ, +(E40, )-44(4.0, -sQ?)n'=(15)中國煤化工5變工況計算與能耗分析MYHCNMH G3我們知道，泵的軸功率N可用式N=pgQH/n計算，泵型號的選擇應(yīng)遵循在滿足揚(yáng)程需要的同時還應(yīng)使設(shè)計流量落在擬選泵的最高效率點(diǎn)上的原則來確定。根據(jù)這一原則，可以對擬選定的水泵所對應(yīng)的n-Q曲線方程進(jìn)行dn/dQ=0來求得對應(yīng)設(shè)計流量，如對式(1)則有:B2 +(B2 -3BB3Qymx =-(16)3B3在進(jìn)行泵的能耗計算時，除了已知H、Q值外，還應(yīng)確定各工況點(diǎn)的泵效率值。從圖1中可知，水泵各運(yùn)行工況點(diǎn)01、i的效率為曲線I.上該點(diǎn)流量所對應(yīng)的效率，工況點(diǎn)i2、 is的效率則可根據(jù)等效曲線no'、nx”與曲線I的交點(diǎn)01和i4的流量來確定。這4個工況點(diǎn)的泵效率值可分別由下列各式求出:ηo, =BQo +B2Q7 + B:Q3η; =BQq +B2Qi + B;Q?(17)n; =ηo,n; =B{Q. +B2Q2 + B,Q下面將通過-一個算例，來分析并聯(lián)循環(huán)水泵在采用不同調(diào)節(jié)方式時各泵工況點(diǎn)的變化及能耗狀況:設(shè)由兩臺型號均為“SLWR-250 -250”型水泵組成的并聯(lián)運(yùn)行循環(huán)水系統(tǒng)，該泵的額定轉(zhuǎn)速no= 2900r/min，所配電機(jī)功率N= 110kw。根據(jù)式(3)和式(16)可計算出該泵最大效率”下對應(yīng)的流量為Qnmax= Qo1=297m/h,故并聯(lián)時總流量為Qo= 594m/h。若供暖系統(tǒng)采用變流量調(diào)節(jié)，則隨著熱負(fù)荷的降低泵的總流量將減少。這里假定，當(dāng)由設(shè)計流量Q0=. 594m3/h降至某一~流量 Q.= 500m3/h時，若采用兩臺泵同步調(diào)速或非同步調(diào)速的運(yùn)行方式來分別滿足這個變工況的要求，按照上述的分析方法現(xiàn)將其計算的結(jié)果匯總于表1中:表1變工況同步調(diào)速 與非同步調(diào)速時各泵運(yùn)行狀態(tài)的計算結(jié)果工況設(shè)計工況變工況同步調(diào)速變工況非同步調(diào)速(Qo= 594m3/h)(Q:= 500m3/h)泵的運(yùn)行參數(shù)1#泵2#泵2#泵.流量Q (m3/h)29725045446轉(zhuǎn)速n(r/min)290024252326揚(yáng)程H (mH2O)80.3056.17效率η (%)83.1440.1423.42軸功率N (kw)78.1746.06173.2430.12總軸功率N (kw)156.34)2.12203.36從表1中可以看出，在設(shè)計工況下，兩臺泵的最大效率均為83.14%，各泵額定軸功率為78.17kw，總的軸功率為156.34kw;當(dāng)系統(tǒng)的流量由設(shè)計值594m3/h降至500m/h時，如果此時采用同步調(diào)節(jié)，則兩臺泵的流量均為250m3/h，, 其效率不變，仍為83.14%，但兩臺泵的總軸功率可由原來的156.34kw降至為92.12kw;如果采用非同步調(diào)節(jié)時，兩臺泵的中國煤化工流量分配相差甚大，效率也有明顯地下降，其中恒速泵的流量fYHCNMHG二泵的4流量則降至為46m2/h，兩臺泵的效率也會分別降至為40.14%和23.42%，總的軸功率會由92.12kw增至為203.36kw。從以上分析可知，在同- -變工況下，采用非同步調(diào)節(jié)的能耗最大可達(dá)到同步調(diào)節(jié)能耗的2.5倍左右，因此說這種運(yùn)行方式是極為不經(jīng)濟(jì)的。6小結(jié)根據(jù)以上分析計算可知，在滿足相同的變工況條件下，與同步調(diào)速相比，非同步調(diào)速將有以下不同點(diǎn):隨著外界熱負(fù)荷的減少，使變速泵的轉(zhuǎn)速越來越低，兩臺泵的效率都有明顯地下降，從而導(dǎo)致其總軸功率要大于同步調(diào)速時的總軸功率，特別是當(dāng)負(fù)荷降低到一定程度時，恒速泵的軸功率將超出其泵所配電機(jī)的額定值。實(shí)際中，恒速泵的電機(jī)有時會發(fā)熱就是由于這個緣故造成的，嚴(yán)重時甚至?xí)龤щ姍C(jī)，故應(yīng)避免采用這種方式運(yùn)行。此外，非同步調(diào)速運(yùn)行的調(diào)節(jié)范圍比同步調(diào)節(jié)的范圍要小。經(jīng)本算例計算可知，該系統(tǒng)采用非同步調(diào)節(jié)的流量范圍為476m3/h~594m3/h,即調(diào)節(jié)負(fù)荷范圍在80%~100%之間;而同步調(diào)節(jié)的范圍在實(shí)際應(yīng)用中一般是在50% ~ 100%之間。當(dāng)然，采用同步調(diào)速運(yùn)行會增加變頻設(shè)備的一次投資， 但由于其節(jié)能效果顯著，多投資部分也會因能耗的大大減少而很快得到回收。所以，作為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行措施，泵的并聯(lián)運(yùn)行采用.同步調(diào)速的方式，應(yīng)引起設(shè)計部門及供熱部門的足夠重視。參考文獻(xiàn):[1]. 上海市經(jīng)委節(jié)能辦公室， 上海市機(jī)電工業(yè)管理局，中國電工技術(shù)學(xué)會等編.風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能手冊.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1987[2] 胡思科，張炳文，國文學(xué).取水點(diǎn)水位變化時泵系統(tǒng)工作狀態(tài)參數(shù)計算.給水排水，2003 Vol. 29 No.1中國煤化工YHCNMH G5