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姜校林（1962－）

    男，工学硕士，高级工程师，从事产品研发工作，发表论文6篇，获省、部级科学进步二等奖1项，发明和实用新型专利8项。

用变频器带动水泵（指离心式泵，下同）供水，其最基本的目的是节能。然而由于变速节能机理的复杂性，一部分人对该技术的认识还不全面，因错误理解和变速泵生产厂家的片面宣传，导致乱改（将水塔供水改为无塔变速泵直接供水）、乱上变速供水设备的现象屡见不鲜。本文的目的是要重新探讨变速泵的节能机理，同时指出当前对变速泵节能理论存在的几个误区，为今后正确选用变速供水设备，提供正确的理论依据。

1  供水系统的基本理论

1.1  基本概念

(1)  水泵输出特性：当水泵转速一定时，水泵输出流量与输出压力之间的关系，即水泵的H-Q曲线。水泵不同的转速对应不同的H-Q曲线，因此变水泵输出特性曲线为一曲线簇。水泵在额定转速下的H-Q输出特性曲线（称之为外特性曲线，并设其所对应的方程为H=f0(Q)）由水泵生产厂家给出，水泵在任意转速n时的输出特性曲线可由水泵相似定律公式，并利用水泵的外特性曲线参数绘出。相似定律公式为：

        ；

上式中n0为水泵的额定转速，Q0、H0分别为在额定转速下，输出特性曲线上任意一点所对应的水泵流量和压力。显然Q0、H0应满足方程H0=f0(Q0)。

需要特别强调的是，水泵的相似定律是描述水泵自身性质相似关系的表达式，通过它可以求得水泵在不同转速下的H-Q输出特性曲线，但不能用相似定律来确定水泵的输出流量、压力和功率，水泵输出流量、压力和功率的多少，取决于供水系统的工作点的具体位置。

(2)  管道输入特性：当管道参数（管道直径、长度、形状、材质、阀门开度等）一定时，流经管道的流量与管道输入口所加的压力之间的关系。

管道输入特性可由下式给出：H=H静＋K Q2

式中：H静―管道入口处的静压值，对供水而言，为管道入水口到用水最高点的高度所产生的静压值；K―管道阻力系数。

显然，管道输入特性曲线为二次抛物线，若改变阀门开度，则K值即变。阀门开度越小，K值越大，二次抛物线越靠近Y轴方向。当阀门开度为零时，K→∞，此时抛物线与Y轴重合，供水系统表现的特征为无流量输出。K值越小，二次抛物线越靠近X轴方向。当阀门全开时，K达到最小值Kmin（只要有管路存在，Kmin≠0），所以变阀门开度的管道输入特性曲线也为一抛物线簇。该曲线簇的左端交汇坐标为（0，H静）的点。

(3)  供水系统的工作点

所谓供水系统就是将水泵与供水管道连接起来，组成具有供水功能的系统，如图1所示（双点划线的左端为水泵，右端为供水管道）。所谓供水系统的工作点是指供水系统在工作中，水泵的实际输出流量和输出压力的具体数值。确定供水系统工作点的方法是将水泵输出特性曲线H=f(Q)与管道输入特性曲线H=H静＋KQ2，绘制在同一个H-Q的坐标系中，二曲线的交点即为供水系统的工作点。该点所对应的流量值与压力值，即为水泵出水流量Q和水泵出压力H的数值。

图1  水泵、管道、供水系统的定义
 

   图2  供水系统工作点的确定

如图2所示，确定两曲线的交点为供水系统工作点的机理是：只有在这一点上，它们具有相同的压力和相同的流量，具有稳定的工作状态。若工作点不是在交点处，而是在交点的左侧，则水泵产生的压力就会高于管道阻力，实际输出的流量就会增加，其结果就会导致工作点的右移，直至到达交点处二者的压力相等为止。工作点不会在交点的右侧，因为此时水泵提供的压力会小于管道所需要的压力，系统将无法运行。实际上，确定二曲线的交点为供水系统工作点的原理，是牛顿力学理论在流体运动中具体应用的结果。

显然，供水系统的工作过程是由无数个连续的工作点构成的，因此要了解供水系统的工作过程和水泵能耗，先要正确求出供水系统的工作点。 

图3  水泵水塔式供水工作轨迹线

      图4  恒速泵供水系统工作轨迹线

1.2  供水系统工作过程的描述

如上所述，供水系统的工作过程可用连续的工作点来描述，也就是用工作点的轨迹线（以下简称工作轨迹线）来描述，用工作轨迹线描述的好处是可以直观方便的了解供水系统的全过程。

(1)  水泵―高位水塔（箱）供水系统

该种供水俗称有塔供水，是目前最为典型的供水形式。其特点是水泵恒速运转，管道阻力系数不变。水塔内水面上升到上限则停机，水面下降到下限则开机，水泵间歇工作。工作点的确定如图3所示。由图3可见，工作过程始终为一个点，故其工作轨迹线也为一个点。因此只要设计合理，工作点匹配正确，可始终保持水泵在最高效率状态。因此这是目前最合理、工作性能最可靠的供水方式，是变频恒压、变频变压供水在节能、可靠性等方面与之无法相比的。

(2)  无塔供水系统

目前主要有以下几种：

?  采用阀门调节水量的恒速泵供水系统（简称恒速泵供水系统）

工作点的确定如图4所示。因不同的阀门开度对应不同的管道阻力系数（K值），也即对应不同的管道输入特性曲线。阀门开度变小（K值增加），管道输入特性曲线变得陡峭，其与水泵的外特性曲线的交点（工作点）向左上方移动，因此流量减少。反之，阀门开度变大（K值减少），管道输入特性曲线变得平缓，与水泵外特性曲线的交点（工作点）向右下方移动，流量增加。

由图4可见，无论阀门的开度怎样变化，工作点始终在水泵的外特性曲线上移动，故该工作轨迹线即为水泵的外特性曲线。

图5  变频变压供水工作轨迹线 

 

 图6  变频恒压供水工作轨迹线

?  采用管道性质不变的变速泵调节水量的供水系统（简称变频变压供水系统）

因管道的性质不变，故只有一条管道输入特性曲线。因水泵变速调节，所以水泵的特性曲线为一曲线簇，工作点的确定如图5所示。由图5可见，不同的水泵转速对应不同的输出特性曲线，系统的工作点也随之变动。转速降低时，工作点往左下方移动，流量降低；反之，转速增高时，工作点往右上方移动，流量增大。所以用改变水泵转速的方法可以起到调节流量的作用。

由图5可见，无论供水量怎样变化，工作点始终在管道的输入特性曲线上移动，因此该工作轨迹线即为管道的输入特性曲线。

?  采用变速泵与变阀门开度的恒压供水系统（简称变频恒压供水系统）

采取的方法是在水泵的出水口或是在用户的最不利点处装一压力传感器，用微机自动控制变频泵的转速，使水泵的出水口或是最不利点处的压力恒定，现行生活小区使用的变频供水设备均属于这一种。

由于最不利点处往往远离供水设备，在该点处安装压力传感器实施的难度很大，实际中绝大多数变频恒压供水设备采用前者，因此以下只将前者作为讨论的对象。

显然，在Q-H坐标系中，设定的恒压值，其图像为一水平直线，如图6