系统思考变频泵的应用--控制网



系统思考变频泵的应用
企业：控制网 日期：2004-05-28
领域： 点击数：1286

 

曹  琦

1  引言

    风机水泵在工农业生产及民用建筑的应用量大、面广，据统计，80年代以来，风机水泵的用电占全国用电总量的31%，占工业用电的40%~45%[1]。不少变频器生产厂家也给出了变频水泵节能效果的计算公式：泵能耗与泵转速的三次方成正比[1，2]。如果泵转速是其额定转速的1/2，则功耗只有额定值的1/8，节能达到87.5%！在我国能源形势非常紧张、能源利用效率不高的国情以及可持续发展国策的情况下，风机水泵变频节能前景确实诱人。下面用系统思考的方法来分析变频泵的节能问题。

 

    现代哲学认为，世界上任何事物都是以系统的方式运作的。据笔者观察分析，世界的一切事物发生展开过程其实都是目标跟踪过程，而其实现的模式就是自动控制学科中单回路负反馈控制过程。变频水泵也不例外，它是水路系统中的一个子系统，一个环节，它的任务是为系统的大目标服务的,并和系统中的其他子系统协调工作，共同完成系统的总目标、任务。水系统的主要任务、目标是在保证水系统最不利环路的资用压力的前提下，最大限度的节省能量，如果满足不了这个要求，其设计就是失败的。为了达到这个目标，无论是自来水供水系统还是空调水系统都确定为定压供水模式，其目标是非常明确的，定压供水系统可以说是在实际供水系统中最常见的。通过系统分析，变频器在四个环节（传感器、控制器、执行器、被控对象）组成的水控制系统中担任“执行器”的角色。从自动控制理论可知，供水系统跟踪的目标是保证供水压力恒定。供水系统要得到良好的控制效果，传感器、控制器和执行器的性能必须和被控对象―水回路和水泵的特性相匹配。

 

2  相似定理导出的变频泵的流量、压力、功率和转速的关系式

 

    在泵内流动完全相似的条件下（即满足几何相似、运动相似和动力相似）可以推导出著名的流量、压头、功率和转速关系的方程式：

    流量和转速之间的关系：Q / Q0 = ( n1 / n0 ) = 常数       (1)

    压头和转速之间的关系：P / P0 = ( n1 / n0 )2 = 常数      (2)

    功率和转速之间的关系：W / W0 = ( n1 / n0 )3 = 常数   (3)

    式中：Q 为变频水泵流量，m3/s；P 为变频水泵压头，kPa；W 为变频水泵功率，kW；N 为变频水泵转速  rpm；下标为0的参数，为额定工况参数，下标为1的参数是转速为n1时的参数。

 

        (1)~(3)三个关系式是把水泵从水系统中孤立出来，从相似理论推导出的结果。实际泵是在水系统中运行的，它是水系统不可分割的一部分，因此从系统的观点来看，对泵完全相似要求的三个相似条件，是对整个系统而言的，而不是单单对泵的条件，否则泵也不可能处在相似工况运行。这点可以从泵特性曲线和水系统阻力特性曲线图1上可以看出。

 

    在泵的n1特性曲线上，唯有管路阻力特性曲线R1与n1的交点A1和额定工况点A0完全相似，才有上述的3个关系式，其他任何点，比如n1和等压线P0的交点C就没有上面3个关系。如果不分泵的运行情况就宣称变频泵功耗和转速三次方成正比，这绝对是误导读者。只有点A1和工况点A0完全相似，还意味着，水泵在变频调节时，水系统中的所有阀门开度是不变的，这是对水系统完全相似要求中的“几何相似”要求决定的，如果阀门在变频中改变了开度，等于破坏了水系统相似的基础-几何相似，那么整个水系统都不是在相似状态下运行，当然也包括系统中的子系统-水泵。变频过程中不改变阀门开度现象，除了在实验室、简单的空调水系统外，在实际工程上很难见到的，因此变频泵通常不是在相似点工作，特别是在定压供水系统中，因而也没有三个从相似定理推导出的关系。

 

    综上所述，水系统流动是否相似，可以用泵变频过程中阀门开度是否变化来判断。如果阀门开度保持不变，水系统流动就是相似的，泵耗能和转速的三次方成正比，节能效果最为显著。如果泵变频过程中阀门开度不再保持不变，那就不再有相似关系。偏离相似工况点越小，相似的程度越大，越趋近于相似工况最大的节能效果。常见的恒压供水系统，泵能耗只和流量的一次方成正比，是采用变频节能效果较差的。如果采用空调变风量送风系统最小静压控制法类似的思想，供水过程中不再保持恒压，而是根据大部分阀门是否全开了来判断供水压力是否继续下降，以求得系统的阀门节流损失最小。这种观点笔者在文献[3]中有详细的论述。

 

    在定压供水系统中，变频泵在新工况点C的功耗和转速不再有简单的(3)式关系，而是和泵的当下流量Qc成正比，如公式(4)所示，当然Qc、Wc 和转速n1有隐含关系了。

 

        Wc = QcP0/102η                                      (4)

    式中：η为泵传动总效率。

 

    从水电比拟法中也可以理解定压水系统中变频水泵功耗。在水电比拟中，水压相当于电压，水流相当于电流，水阻相当于电阻。水压的含义是单位时间内向高水压处输送单位体积的水时水泵做的功，电压的含义是单位时间内向高电压处输送单位电荷时电池做的功，电压、水压都是能量的概念，本质上是相同的。大家知道，所有定电压的用电器，其功率只和电流一次方成正比，水路也一样。这点还可以从因次分析中清楚地看出。

 

 

3  在定压供水系统中对泵性能的要求

 

    在定压供水系统中，泵性能应和管网特性、控制策略相匹配才能取得满意的控制结果。变频器相对价格昂贵，因此在实际应用中，泵群都是采取“一变多定”的配置方案。经过分析，要完成泵群“一变多定”省钱的配置方案，通常在选择泵性能时有以下一些考虑。

 

        (1)  完全满足“一变多定”配置要求的方案

 

    经分析，完全满足“一变多定”配置方案要求的，只有具有恒流特性的容积式水泵才可以。如图2所示，n0为容积泵额定工况特性曲线，n1、n2为容积泵变转速时的特性曲线，由图中可以看出，容积泵具有恒流特性。当管网特性由R0变化到R1时，在控制上很容易确定开一台定流量泵和一台变频泵来适应新的工况点流量的要求。但是容积泵的效率非常低，在水系统中若采用容积泵输送水来满足“一变多定”配置方案的要求，则是完全背离了采用变频泵进行节能的初衷，因此，这个配置方案不能采用。

 

        (2)  高性能离心泵的变频控制方案

    采用了三元流动、进口导叶等等先进的技术，离心式水泵的特性曲线非常平坦，高效率的工作区域很宽，这正是水泵生产厂家和用户追求的。对于定压供水系统的高效离心泵机群如果也采用“一变多定”配置的控制方案，则会引起一些问题。图3是泵特性曲线图，从这个图上可以很容易分析出，在定压供水系统中，变频泵新的工况点也就是变频泵特性曲线和等压线交点，因为泵的特性非常平坦，变频泵的变频范围非常小，而且新工况点因供水压力小的波动（这在供水系统中是非常正常的）而变化剧烈，工况点极不稳定，虽然在控制中可以采用软件滤波的方法改善不稳定的情况，但变、定水泵配置方案运行匹配较为困难，节省的能量很有限却是肯定的，这和采用变频节能控制的初衷也是相违背的。因此对于实际工程中的高性能离心泵机群，所有泵都进行变频控制才是合理的，如著名的德国WILO公司的MHIE、MVIV系列变频恒压多泵并联供水系统，多台泵全部采用变频控制，以避免“一变多定”运行匹配困难的问题。如果水系统尽量采用“一变一备”的配置，用一套变频器，切换控制两台水泵，同一时间只有一台泵处于变频运行，那就不会遇到“一变多定”运行匹配困难的问题，同时投资也很节省，这是变频泵水系统设计中一种可行的方法。

 

        (3)  在各支流管路上安装小的变频泵代替阀门以最大限度地减少节流损失的方案

    如果空调系统只有一台空调机，用小的变频泵代替阀门，以空调机的送风温度或以空调机的出水温度来控制变频泵的转速，是可以取得满意的节能效果的。然而对于多台并联运行的空调机水路中的小变频泵，各泵也相当于并联运行。因为各空调机的负荷不同，空调机出水压头也不尽同，压头高的水就有可能通过压头低的泵反流，产生各空调机的调节相互干扰。为了避免这种情况，各空调机出水口管路上必须加装恒压水阀，以抹平各空调机出水口压力的差异，使回水干管的压力相同。不过，这种配置增加了系统的复杂性，并在恒压阀上也产生一定的节流损失。

 

4  结论

 

        (1)  在最常见的定压供水系统中，变频泵的功耗，只和流量的一次方成正比，而没有和泵转速的三次方成正比的关系。

 

        (2)  对于高性能的离心水泵，不宜采用“一变多定”配置方案。

 

        (3)  各空调机水路中采用小的变频水泵的配置方案也是一种变频节能的好措施。
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