变频泵站节能调速范围的确定

调速范围或调速比是指调速系统的最大转速nmax与最小转速nmin的比值。由于泵类设备属减平方转矩负载，负载特性决定了变频泵站的调速范围，它是指在满足用户需求和安全运行的条件下，运行在高效区内的最大转速nmax与最小转速nmin的比值。调速范围或调速比是调速控制系统的一个重要性能指标，该性能指标人为设定的准确与否，直接影响着控制系统的稳定运行（除调速方案和被控量参数的设定值不合理外），从而导致系统的节能效果不稳定。尤其是当调速控制系统的最低转速nmin选取不当时，水泵实际的效率特性，将偏离理论等效率特性曲线更大，导致效率大幅度的下降，致使变频泵站运行不经济，节能效果很差。因此怎样正确计算节能调速范围使泵站的运行达到最经济是本文探讨的问题。 一、变频泵站的调速特性 　　泵站受日夜供水量变化的影响，并联机组的工况点、管网参数常常处于变化之中，从系统能量平衡的角度出发，采用等值特性法，所谓的等值特性法是指对水泵与管道系统特性曲线进行等值折算，从而求得工况点的一种方法。在水泵扬程特性曲线（Q-H）上减去相应流量下的水头损失（曲线的叠加），从而得到等值泵的扬程特性曲线，即把并联机组诸泵的特性用等值泵的扬程特性曲线代替，用等值的简单管道系统特性曲线取代实际的管道系统特性曲线，称为等值折算。以上等值的结果：即把原来的并联机组等值成一台新泵，我们把这台新泵称为“虚拟水泵”；把原管道系统等值成一条理想没有水头损失的管道系统，称为理想管道系统。由此看来，根据等值特性法和比例律，运用调速技术，可以把“虚拟水泵”的工况点人为地干预使工况点移到高效区，此时机泵的转差功率损耗被降低，从而提高了水泵运行效率和扬程利用率。又由比例律可知，在一定的调速范围内，理论上可认为相似点的效率不变。本文以离心泵为例讨论变频泵站的调速特性。离心泵扬程特性曲线的通用表达式： 　　从图1和转速n2下的扬程特性曲线回归方程式不难看出，在应用比例律时，理论可认为“虚拟水泵”的工况相似点的效率相等，而经实验表明，当“虚拟水泵”的调速范围超出高效区内对应的转速时，实测到的效率特性曲线与理论认定的等效曲线是不相等的，只有在高效区内调速前后工况相似点的效率才相等。 　　综上所述，对于变频泵站内“虚拟水泵”的等值特性效率曲线不同，其调速范围，即调速比计算方法也不同。 二、以水泵最佳效率为限，变频泵站调速范围的确定 　　在新设计变频泵站时，选泵站中功率最大且效率高的水泵为调速泵；然后确定“虚拟水泵”流量的范围， 根据流量的范围，进一步确定“虚拟水泵”的调速范围和调速泵的台数。 　　针对泵站内不同型号的水泵应分别进行计算，根据变频泵站的调速特性理论，一般认为调速范围或调速比Kn满足下式时，才是高效运行的，这种计算方法适用于新泵站的设计和选择泵站内使用调速泵的台数。 三、调速泵与定速泵并联运行时最小调速比（最大调速范围）的确定 　　当两台扬程相差过大的水泵并联时，扬程低的水泵将不出水，不能并联工作。同样道理，当定速泵与调速泵并联运行时，调速泵的调速比过小，也就是调速范围过大，调速泵也将不能出水。根据变频泵站的调速特性理论，调速泵的最小调速范围或调速比Kn按下式计算。 　　可以看出，当定速泵与调速泵并联运行时，调速泵的调速范围或调速比受到限制。 四、以水泵的实际运行工况来确定的调速范围 　　考虑多台同型号水泵并联运行与单台水泵独立运行相结合的方式，选泵时应选择在并联运行时每台水泵的工况点接近最高效区的左边界，水泵在单独运行时，工况点向右移动，仍可处在高效区运行，这样选择的结果，可促使水泵在整个工况变化范围内的运行效率都较高，这种计算方法适用于老泵站改造后，以并联泵组实际运行工况优化设置调速控制系统的运行性能参数，使变频装置的运行达到最佳。 　　Hmin--对取水泵来说，是指水源高水位时，最小取水量时的全扬程；对配水泵及加压泵来说，是指最小流量时的全扬程。 　　当两台泵并联时，先算出这个调速比，再算最小调速比。如前者大于后者，可以考虑只用一台调速泵，反之，必须用两台。多台水泵并联时，应选取满足所有机泵高效区扬程的交集，计算调速比。 计算实例： 　　根据上面的等值特性理论，以我公司董庄配水泵站为例对经济调速范围进行阐释、比较。泵站采用一台日本产MITSUTISHI F-500型变频器，电器控制如图2。 　　为节省投资，采用一带多的方案，可以分别驱动1#、3#水泵作变频调速运转，1#、3#也可单独接工频电网作全速运转，开关1K与1KB电器联锁，3K与3KB电器联锁，1KB、3KB两开关相互连锁，连锁功能由开关柜自身实现。该变频器有“本地”及“远程”两种控制方式，“本地控制”是指在变频器处开、停电机及调节转速；“远程控制”时由中央控制室开、停电机及调转速。KM、1KB、3KB均采用就地控制。 　　配水泵站有4台离心式水泵，基本情况见表1：（注：流量单位：m3/h；扬程单位：m） 　　下面以并联泵组合方案①②为例计算该并联泵组的经济调速范围：根据等值特性法和等值折算的理论， 绘出并联泵组合方案①②的实际运行的调速特性曲线（图3）。 　　从图中不难看出，型号为300S-58B离心泵的最佳工况点是K2（735m3/h，44m），根据水泵的运行理论，该水泵运行的高效区是78%~78%，对应图3中的A（543m3/h，46m）、B（700m3/h，38m）两点；同理，可得到14SH-13离心泵的的最佳工况点是K1（1260m3/h，43m），水泵运行的高效区是83%~83%，对应图3中的A‘、B’两点。取并联泵组工况点K满足任一台水泵高效区工作的左、右扬程情况，两水泵左扬程的并集为A’，两水泵右扬程 的并集为B，将两水泵扬程保持不变，流量叠加，得到虚拟水泵的曲线（1大1小），此时的调速比Kn为： 　　从图3泵站调速控制系统实际运行曲线情况来看，该并联泵组合方案①②的调速控制系统，最佳工况点设为（2293m3/h，39.5m），若设定的调速范围Kn=1.11时，①#泵在高效区内运行，②#泵不在高效区内运行，并联泵组的工况点K不在高效区AB‘内；若设定的最佳工况点不变，调速范围Kn‘=1.07时，①#、②#泵都在高效区内运行。 　　现场调试情况：从表1和图3可以看出，在方案①②中，调速控制系统采用恒压调速供水控制方式：①#泵调速，②#泵定速；在可编程控制器（PLC）上设定流量范围为：1800m3/h-2268m3/h，标准压力输入值为43m，压力传感器的输入设定4-20mA，变频器设定输出频率控制（增益/偏置）可自动设定，变频器输出频率限定，即调速比设定为107% ，经过对调速系统的实际测试，此性能参数设置后，该系统运行稳定，节电的效果好 三、应用效果 根据管网运行工况的需要，原泵站2001年6月-2002年5月使用调速控制系统以来，管网压力稳定，节约能耗30%左右。2002年6月-2003年5月 将以上的计算结果对调速系统的调速范围进行了优化设置，运行模式为控制出水量和压力两种，经过运行，变频器运行频率一般控制在40-45HZ以内，以41HZ左右较为经济 ，节能效果明显。运行情况测试记录见表2： 　　从表2可以看出，调速控制系统的调速范围优化设置运行后，调速控制系统的性能指标始终处于最佳运行状态，从2001年6月-2002年5月的单耗178.74KWh/Kt降到2002年6月-2003年5月的164.80KWh/Kt，降低7.8%，且节电效果稳定。因而在目前有限的节电潜力上，仍然能挖掘出7.8%的节电量，是值得推广的。