管路特性对泵与风机变速调节节能效益的影响

摘要：泵与风机的变速调节因具有显著的节能效益，得到了越来越广泛的应用。变速调节的节能效益与管路特性具有密切的关系，也就是说不同的管路特性，变速调节的节能效益不同。因为采用变速调节增大了系统的投资，所以对有背压系统采用变速调节，必须针对具体情况进行认真的计算和分析，才能对其是否节能、是否经济做出正确的结论。

关键词：变速调节 节能效益 管路特性 背压

　　泵与风机的变速调节因具有显著的节能效益，得到了越来越广泛的应用。但一个值得注意的问题是：变速调节的节能效益与管路特性具有密切的关系，也就是说不同的管路特性，变速调节的节能效益不同。甚至对于某些管路系统，若把变速装置的效率考虑在内，采用变速调节与采用节流调节相比，不但不节能，反而耗能更多。因此，搞清楚管路特性对泵与风机变速调节节能效益的影响，对于正确运用变速调节是必要的。

1 无背压系统的变速节能

　　无背压系统即流体通过泵或风机的能量增值全部用于克服管路阻力的系统，如通风系统、空调冷却水系统、热水采暖系统及其他液体闭式循环系统等。这种系统的管路特性曲线为：

　　H＝SQ²
　　式中：Q--流量
　　　H--对于泵为扬程，对于风机为压头
　　　S--阻力系数

　　对于无背压系统，管路特性曲线与泵(或风机)的相似工况线重合，泵(或风机)转速改变前后的两种工况是相似工况，工况参数符合如下的相似律：
　　Q₂/Q₁＝n₂/n₁ (1)
　　H₂/H₁＝(n₂/n₁)² (2)
　　N₂/N₁＝(n₂/n₁)³ (3)
　　式中　n--转速
　　　N--轴功率
　　显而易见，对于这种系统，随着所需流量的改变，转速应与流量同比例改变，而功率则与转速的3次方成比例改变。比如所需流量减少为50%，转速亦应减为50%，而功率则减为(0.5)³＝12.5%。这是与原工况比较，而所谓的节能是指在达到同样的调节目的的情况下，变速调节与其他调节方式相比的能耗减少，并主要是与节流调节相比较，这是因为节流调节最简单，应用也最普遍。
　　如图1所示，A为设计工况，转速为n1，流量为Q1。现需把流量改变为Q2，若采用变速调节，工况点为B；若采用节流调节，工况点为C。直观地看，两工况流量相等，而扬程B与C相比有所降低。又因为A工况为设计工况，应在高效率区，B为A的相似工况，效率与A工况相等，所以一般而言，应用ηB≥ηc（η为效率）。那么由N=γQH/η（γ抽升液体或气体的单位体积质量）可知，一般情况下B与C相比，功率至少应用与扬程同等幅度的降低。

　　 海凯泉水泵厂生产的ISG200-250(Ⅰ)型立式离心泵为例，以产品说明书中给出的性能曲线为依据，选取Q₁＝0.12m³/s，按Q₂＝0.5Q₁和Q₂＝0.75Q₁两种情况计算B、C两工况的参数和功率。计算结果在表1中列出。
　　显然，Q²＝0.75Q₁时，N_Ｂ／Ｎ_Ｃ＝11.8/24.5＝48%；Q₂＝0.5Q₁时，N_Ｂ／Ｎ_Ｃ＝3.5/20.2＝17.3%。即变速调节与节流调节相比，轴功率大大减小。可见，对于无背压系统，即便把变速装置的效率考虑在内，变速调节也具有显著的节能效益。

表1 无背压系统变速调节与节流调节的比较

工况	工况点	流量Q（m3/s）	扬程H（kPa)	效率η（%）	转速n(r/min）	功率N（kW)
原工况	A	0.12	186	80	1450	27.9
Q2=0.75Q1
变速调节工况	B	0.09	105	80	1088	11.8
节流调节工况	C	0.09	213	78	1450	24.5
Q2=0.5Q1
变速调节工况	B	0.06	47	80	725	3.5
节流调节工况	C	0.06	225	67	1450	20.2

2 有背压系统的变速节能

　　有背压系统即流体通过泵或风机的能量增值，一部分用于克服管路阻力，一部分用于提升流体势能(包括位能和压力能)的系统，如高塔供水系统、高层建筑供水系统、锅炉及压力容器非循环式供水系统等。这种系统的特性曲线为H＝H₀+SQ²，式中H₀为流体通过系统的势能提升，称为背压。对于这种系统，泵或风机变速前后工况不相似，所以工况参数不符合相似律，功律与转速之间也不存在简单的函数关系。
　　对于有背压系统，背压H₀的大小对于变速调节的节能效益有较大的影响。为便于说明比较，假设同一型号的泵在三个不同的系统中工作，并且具有相同的设计工况。三个不同的系统分别为：
　　H＝S₀Q² (H₀＝0)
　　H＝H₁+S₁Q² (H₀＝H₁)
　　H＝H₂+S₂Q² (H0＝h3)
　　如图2所示，设计工况为A，对应的转速为n₁，流量为Q₁。现要求把流量调节为Q₂，若采用变速调节，三个系统的工况分别为D、E、F；若采用节流调节，工况均为G。

　　直观地看，若设计工况A在高效率区，应有N_D＜N_E＜N_F＜N_G。作为验证，并有一个量的概念，这里也给出一个计算实例。
　　选择上海凯泉水泵厂生产的ISG150-400型立式离心式水泵，以产品说明书中给出的性能曲线为依据，选定Q₁、Q₂和H₁、H₂之后，计算D、E、F、G点的工况参数及功率：
　　①取Q₁＝0.06m³/s，查得H_A＝470kPa，η_A＝74%。
　　②取H₁＝196 kPa，H₂＝441 kPa，则由于三个系统的管路特性曲线均过A点，可算得：
　　　　S₀＝13.1×10⁴kPa(m³/s)²
　　　　S₁＝7.6×10⁴kPa(m³/s)²
　　　　S₂＝0.82×10⁴kPa(m³/s)²
　　即三个系统的管路特性曲线分别为：
　　　　H＝13.1×10⁴Q² (4)
　　　　H＝196+7.6×10⁴Q² (5)
　　　　H＝441+0.82×10⁴Q² (6)

　　③确定Q2之后，即可通过计算或查性能曲线确定D、E、F、G点的工况参数。由于D与A两工况相似，所以可根据相似律计算D工况的扬程和转速，D工况的效率与A工况相等。G工况的扬程和效率可查性能曲线。E、F工况的扬程由式(5)、(6)计算得到，E、F工况的效率和转速的确定方法以E工况为例说明如下：a.根据E工况的流量Q₂和扬程H_E，可求出过E点的相似抛物线为 H=[H_Ｅ/(Q₂)²]Q²，即图2中的O-E-P曲线；b.此抛物线与原转速n₁所对应的性能曲线的交点P与E为相似工况；c.E工况的转速为n₃＝Q_E/Q_P＝n₁；d.在原转速n₁所对应的效率曲线上，查出P点的效率η_p，而E与P为相似工况，效率相等，即η_E＝η_p。
　 表2列出了Q₂＝0.75Q₁和Q₂＝0.5Q₁两种情况下D、E、F、G各工况的参数。

表2 有背压系统变速调节与节流调节的比较

Q2	0.045m3/s(0.75Q1)				0.03m3/s(0.5Q1)
工况点	D	E	F	G	D	E	F	G
H(kPa)	265	351	458	512	118	265	449	529
η(%)	74	73.5	72.0	71.0	74.0	67.0	61.0	60.0
N(kW)	16.1	21.5	28.6	32.4	4.8	11.8	22.1	26.5
n(r/min)	1088	1208	1377	1450	725	1061	1338	1450

　　从表中数据不难得到：若以节流调节工况G的功率为100%，则变速调节工况D、E、F的功率在Q₂＝0.75 Q₁时，依次为49.7%、66.4%、88.3%；在Q₂＝0.5Q₁时依次为17.1%、44.5%、83.4%。这个结果说明：
　　无论背压大小，各系统采用变速调节与采用节流调节相比，轴功率都有所减少，但减少的幅度不同。无背压系统减少的幅度最大，随着背压的增大，减少的幅度越来越小。也就是说，无背压系统采用变速调节的节能效益最好，随着背压的增大，变速调节的轴功率逐渐趋近于节流调节，变速调节的节能效益也就逐渐降低。背压增大到一定程度，若把变速装置的效率考虑在内，变速调节的实际能耗就会很接近、甚至可能超过节流调节的能耗。以效率较高、目前应用较多的变频调速装置为例，效率约在0.8～0.9^［1］，如果把这个效率考虑在内，F工况的能耗就会很接近、甚至可能超过G工况的能耗。也就是说，对于管路系统H＝441+0.82×10⁴Q₂，变速调节就失去了节能的意义。

3 结论

　　①无背压系统采用变速调节具有显著的节能效益。
　　②有背压系统采用变速调节，随着背压的增大，节能效益逐渐降低。背压增大到一定程度，能耗与采用节流调节相差无几，就失去了节能意义，甚至会出现耗能更多的情况。
　　③因为采用变速调节增大了系统的投资，所以对有背压系统采用变速调节，必须针对具体情况进行认真的计算和分析，才能对其是否节能、是否经济做出正确的结论。

参考文献

　　1　上海经委节能办公室等风机水泵调速节能手册机械工业出版社，1987.18
　　2　周谟仁流体力学泵与风机中国建筑工业出版社，1985