供水系统的节能原理

在我们的日常生活中，离不开供水系统，但如何提高供水的质量，以保证我们供水时不但能够有恒定的供水压力，而且还能节省大量的电能，延长水泵的寿命，是摆在我们面前的一大难题。现在日益成熟的变频调速技术，为我们打开了这扇门。 一． 供水系统的主要参数 （1） 流量Q 是单位时间内流过管道内某一截面的水流量。在管道截面不变的情况下，其大小决定于水流的速度。符号是Q，常用单位是m3/min。 （2） 扬程H 是供水系统中把水从一个位置上扬到另一位置时水位的变化量，数值上等于对应的水位差。数值上等于对应的水位差。通常用单位米来表述。 （3） 实际扬程HB 供水系统中，实际的最高水位h2与最低水位h1之间的水位差，即供水系统实际提高的水位，称为实际扬程。 （4） 管阻R 是阀门和管道系统对水流的阻力。因为不是常数，难以简单地用公式来定量地计算，通常用扬程与流量之间的关系曲线来描述。 （5） 压力P 是表明供水系统中某个位置（某一点）水压的物理量。其大小在静态时主要取决管路结构和所处的位置，而在动态时，则还与流量与扬程之间的平衡情况有关。 二． 供水系统的特性和工作点 1.扬程特性 以管路中的阀门开度不变为前提，表明在某一转速下，全扬程与流量间的关系的曲线H1=f(Q)，称为扬程特性曲线，如曲线1所示。 在供水系统中，水泵是供水的“源”，因此，扬程特性可以看成是“水源特性”，或者说是“水源”（即水泵）的外特性。意思是说，用户用水越多（流量越大），管道中的摩擦损耗也就越大，供水系统的全扬程就越小。 因此，扬程特性是反映用户的用水需求状况对全扬程的影响的。在这里，流量的大小取决于用户，因此，用水流量用Q1表示。 2.管阻特性 以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，全扬程与流量间的曲线H1= f(Q),称为管阻特性曲线，如图曲线2所示。 管阻特性是表明由管阻（阀门开度）来控制供水能力的特性曲线。在这里，流量的大小取决于阀门的开度（即管阻的大小），是由供水侧来决定的，故管阻特性的流量可以为是供水流量，用Q2表示。 当供水流量Q2接近于0时，所需的扬程等于实际扬程（H1=H2）。其物理意义是：如果全扬程小于实际扬程的话，将不能供水。因此，实际扬程也是能够供水的基本扬程。 3.供水系统的工作点 扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图（1）中的N点。在这一点上，供水系统即满足了扬程特性，也符合管阻特性，供水系统处于平衡状态，系统也稳定运行。 4.供水功率 供水系统向用户供水时所消耗的功率P1(KW)称为供水功率，供水功率与流量和扬程的乘积成正比： P1=CpH1Q 式中Cp---比例常数。 由图1可以看出：供水系统的额定功率与面积0ANG成正比。 三．调节流量的方法和比较 如上所述，在供水系统中，最根本的控制对象是流量。因此，要讨论节能问题，必须从考察调节流量的方法入手。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。 1. 阀门控制法 即通过关小或开大阀门不调节流量，而转速则保持不变（通常为额定转速）。阀门控制法的实质是：水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量，以适应用户对流量的要求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。 如图2所示，设用户所需的流量为Qx为额定流量的60%（即Qx=60%Qn）,当通过关小阀门来实现时，管阻特性将改变为曲线③，而扬程特性则仍为曲线①，故供水系统的工作点移至E点，这时：流量减小为QE（=Qx）；扬程为HE；由式2知，供水功率P1与面积0DEJ成正比。 2. 转速控制法 即通过改变消耗的转速来调节流量，而阀门开度则保持不变（通常为最大开度）。转速控制法的实质是通过改变水泵的转速来调节流量，从而适应用户对流量的需求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。 仍以用户所需流量等于60%为例，当通过降低转速使Qx=60%Qn时，扬程特性为曲线④，管阻特性仍为曲线②，故工作点移至C点。这时，流量减小为QE(=Qx)，扬程减小为Hc，供水功率Pc与面积0DCK成正比。 3. 两种方法的比较 比较上述两种调节流量的方法可以看出，在所需流量小于额定流量（Qx<100%Qn）的情况下，转速控制的扬程比阀门控制时要小得多，所以转速控制方式所需的供水功率也比阀门控制方式小得多。两者之差△P便是转速控制方式节约的供水功率，它与面积KCEJ成正比。这是变频调速供水系统具有节能效果的最基本方面。 4. 从水泵工作效率看节能 （1）工作效率的定义 水泵的供水功率P1与轴功率P2之比，即为水泵的工作效率η： η=P1/P2 这里的轴功率P2是指水泵轴上的输入功率（电动机的输出功率）。而水泵的供水功率P1是根据实际供水的扬程和流量算得的功率，是供水系统的输出功率。 因此，这里所说的工作效率，实际上包含了水泵本身的效率和供水系统的效率。 （2）水泵工作效率近似计算公式 据有关资料介绍，水泵工作效率的相对值η*的近似计算公式如下： η*=C1（Q*/n*）-C2（Q*/n*）2 (4) 式中η*、Q*、n*----效率、流量和转速的相对值； C1、C2-----常数，由制造厂家提供，C1与C2之间，通常遵循如下规律：C1-C2=1 (3)不同控制方式时的工作效率 由式4可知，当通过关小阀门来减小流量时，由于转速不变，n*=1,比值Q*/n*= Q*，可见，随着流量的减小，水泵工作的效率降低十分明显。 在转速控制方式时，由于在阀门开度不变的情况下，流量Q*和转速n* 是成正比的，比值Q*/n*不变。就是说，采用转速控制方式时，水泵的工作效率总是处于最佳状态。 所以，转速控制方式与阀门控制方式相比，水泵的工作效率大的多。这是变频调速供水系统具有节能效果的第二个方面。 5.从电动机的效率看节能 在设计供水系统时，由于：①对用户的管路情况无法预测；②管阻特性难以准确计算；③必须对用户的需求留有足够的余地。因此，在决定额定扬程和额定流量时，通常裕量较大。所以在实际的运行过程中，即使在用水流量的高峰期，电动机也常常处于轻载状态，其效率和功率因数都较低。采用转速控制以后，可将排水阀完全打开而适当降低转速。由于电动机在低频运行时，变频器具有能够根据负荷轻重调整输入电压的功能，从而提高了电动机的工作效率。这是变频器调速供水系统具有节能效果的第三个方面。 四．水锤效应和水泵的寿命 1. 水锤效应 异步电动机在全电压起动时，从静止状态加速到额定转速所需时间只有0.25S。这意味着在0.25S的时间里，水的流量从零猛增到额定流量。由于流体具有动量和一定程度的可压缩性，因此，在极短的时间内流量的巨大的变化将引起对管道的压强过高的冲击，并产生空化现象。压力冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，故称为水锤效应。 水锤效应具有极大的破坏性：压强过高，将引起管子的破裂。此外，水锤效应也可能损坏阀门和固定件。 2.产生水锤效应的原因 产生水锤效应的根本原因是在起动和制动过程中的动态转矩太大。在起动过程中，异步电动机和水泵的机械特性如图4a所示。图中，曲线①是异步电动机的机械特性，曲线②是水泵的机械特性，阴影部分是动态转矩T(即两者之差)。在拖运系统中，决定加速过程的是动态转矩T： T=TM-TL 在图4a中，水泵在直接起动过程中，拖运系统动态转矩T的大小如阴影部分所示，是很大的。所以，加速过程很快。 3.水锤效应的消除 采用变频调速后，可以通过对升速时间的预置来延长起动过程，使动态转矩大为减小，如图4b所示。图中，曲线簇①是异步电动机在不同频率下的机械特性，曲线②是水泵的机械特性，中间锯齿状线是升速过程中的动态转矩（即不同频率时的电动机机械特性与水泵机械特性之差）。 在停机过程中，同样可以通过对降速时间的预置来延长停机过程，使动态转矩大为减小，从而彻底消除了水锺效应。 4.延长水泵寿命的其他因素 水锤效应的消除，无疑可大大延长水泵和管道系统的寿命。此外，由于水泵平均转速下降，工作过程中平均转矩减小的原因，使: a) 叶片承受的应力大为减小。 b) 轴承的磨损也大为减小。 所以，采用了变频调速后，水泵的工作寿命将大大延长。 五．恒压供水系统 对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对流量的需求。所以流量是供水系统最基本的控制对象。而如上所述，流量的大小取决于扬程，但扬程难以进行具体测量和控制。考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力（用Q1表示）和需水能力（用Q2表示）之间的平衡情况有关。 如：供水能力Q1>需水能力Q2,则压力上升； 如：供水能力Q1<需水能力Q2,则压力下降； 如：供水能力Q1=需水能力Q2,则压力不变； 可见，供水能力与用水能力需求之间的矛盾具体地反映在流体压力的变化上。从而，压力就成为了用来作为控制流量大小的参变量。就是说，保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了使该处的供水能力和需水能力处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量，这就是恒压供水系统所要达到的目的。 总之，水泵采用变频调速后，不但保证了供水压力的恒定，而且还节省了大量的电能，延长了水泵的寿命，对整个供水系统的运行有很大的好处。