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供水系統(tǒng)中調(diào)速水泵有關(guān)問題的探討
時(shí)間：2012/8/2 來源：浙江揚(yáng)子江泵業(yè)有限公司
1、前言
水泵調(diào)速技術(shù)已經(jīng)存在多年，早期主要是一些低壓水泵采用低壓變頻器進(jìn)行調(diào)速，因?yàn)槌杀静桓撸圆捎帽容^普遍。而對于高壓水泵的調(diào)速，早期還大多是采用液力偶合器、串級調(diào)速等傳統(tǒng)方法來實(shí)現(xiàn)。隨著高壓大功率變頻器的出現(xiàn)，目前采用高壓變頻器對高壓水泵進(jìn)行調(diào)速逐漸成為一種趨勢。由于高壓變頻器目前成本相對較高，許多供水行業(yè)的人士出于投資回收考慮，對水泵調(diào)速這項(xiàng)技術(shù)本身及其可以取得的效益都比較關(guān)心，經(jīng)常有如下一些疑惑：
a供水系統(tǒng)一般多臺水泵并聯(lián)運(yùn)行，設(shè)計(jì)原則是同壓頭水泵并聯(lián)，同流量水泵串聯(lián)。而調(diào)速泵速度降低后，按一般常理認(rèn)為，其輸出水壓將降低，那么調(diào)速泵如何再與其他工頻泵并聯(lián)，是否有內(nèi)耗存在？
b常說水泵流量和轉(zhuǎn)速成正比，壓力和轉(zhuǎn)速平方成正比，其功率則和轉(zhuǎn)速立方成正比，也就是說水泵的功耗是按流量的立方關(guān)系變化的，假設(shè)水泵流量調(diào)到一半時(shí)，水泵的軸功率只有滿流量時(shí)的12.5%，省電應(yīng)達(dá)到87.5%，可為什么實(shí)際系統(tǒng)的節(jié)能效果遠(yuǎn)不是這樣？到底怎樣預(yù)估一個(gè)水泵調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能潛力？
c調(diào)速水泵和工頻水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，調(diào)速水泵能否無限制往下調(diào)速？調(diào)速泵是不是轉(zhuǎn)速到0時(shí)流量才為0？并聯(lián)工頻水泵會不會過流？調(diào)速泵會不會水流倒慣？調(diào)速時(shí)應(yīng)注意什么問題？
d水泵調(diào)速方法有哪些？究竟什么方式比較可��？對水泵進(jìn)行調(diào)速改造，除了節(jié)能，到底還能有什么其他效益？
本文將從水泵的工作特性出發(fā)，解釋和回答這些問題，不對之處，歡迎專家指正。
2、水泵的工作特性
圖（1）
水泵定速工作時(shí)，工作特性如圖（1）所示。曲線①為水泵按轉(zhuǎn)速N1定速工作時(shí)的Q-H曲線，曲線②③為管路特性曲線。
在第一種負(fù)載工況下，水泵工作在A點(diǎn)，流量為Q1，壓力為H1。當(dāng)流量減為Q2時(shí)，水壓將上升到H2，水泵工作在B點(diǎn)。水壓的上升，一方面存在不必要的電耗，另一方面也可能威脅到供水管網(wǎng)的安全。
從水泵定速工作特性曲線看出，盡管水泵工作轉(zhuǎn)速不變，但只要管網(wǎng)特性發(fā)生變化（曲線②變?yōu)榍�③），那么水泵的工作點(diǎn)是發(fā)生變化的，其流量和壓力也隨之變化。換言之，水泵的輸出壓力并不只是轉(zhuǎn)速的單值函數(shù)。
在自來水行業(yè)，流量的減少是因?yàn)橐归g用戶關(guān)閥，管網(wǎng)特性曲線發(fā)生了變化，曲線②變?yōu)榍�③，流量由Q1降為Q2。為了防止管網(wǎng)水壓的上升威脅到管網(wǎng)安全，可以調(diào)節(jié)水泵出口閥門或者改開小泵。
在一些化工生產(chǎn)、制冷等行業(yè)，流量的減少是因?yàn)樯a(chǎn)工藝的需要，這時(shí)可以調(diào)節(jié)水泵輸出閥門，人為改變管網(wǎng)特性，使水泵工作點(diǎn)由A點(diǎn)變到B點(diǎn)，從而達(dá)到主動(dòng)調(diào)節(jié)流量的目的。
圖（2）
圖（2）示出了水泵調(diào)速運(yùn)行時(shí)，水泵工作特性的變化情況，曲線①②③分別為水泵按N1 、N3和N2三種速度運(yùn)行時(shí)的特性曲線，曲線④⑤為管網(wǎng)特性曲線。如果管網(wǎng)特性不變，保持為曲線④，水泵由N1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到N2速運(yùn)行時(shí)，水泵的工作點(diǎn)將由A點(diǎn)變到B點(diǎn)，流量和水壓分別變到Q2和H2，它們都隨著轉(zhuǎn)速的下降而下降。負(fù)載特性不變時(shí)，水泵的流量Q、水壓H、軸功率P和轉(zhuǎn)速N之間滿足如下關(guān)系：
Q∝N，H∝N2,P∝N3。
但如果是外界因素導(dǎo)致管網(wǎng)特性發(fā)生變化（由曲線④變?yōu)榍�⑤），使得流量減少為Q2，但又要維持水壓不變，這時(shí)水泵可以將速度調(diào)節(jié)到N3運(yùn)行，從工作曲線中可以看出，水泵的轉(zhuǎn)速和輸出流量下降，但水泵的輸出壓力卻保持不變，這就是為什么流量變化時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)恒壓供水的理論依據(jù)。這種情況下，由于管網(wǎng)特性的改變，水泵的流量Q、水壓H、軸功率P和轉(zhuǎn)速N之間不再滿足Q∝N、H∝N2、P∝N3的關(guān)系，并不是轉(zhuǎn)速下降其水壓就下降，水泵速度下降且其分擔(dān)的流量下降后，只要其輸出水壓不變，就可以和其他高速水泵并聯(lián)運(yùn)行。
3、水泵調(diào)速運(yùn)行的軸功率
3．1管路特性不變
管路特性不變時(shí)，水壓隨流量的變化而變化，調(diào)速時(shí)只對流量作要求，對水壓不作要求，這時(shí)水泵的工作情況如圖（3）所示：
圖（3）
從圖可見，需要流量下降時(shí)，將水泵速度由N1下調(diào)為N2,則水泵工作點(diǎn)由A點(diǎn)變?yōu)锽點(diǎn)，流量由Q1變?yōu)镼2，壓力由H1變?yōu)镠2，水泵在A、B兩個(gè)工作點(diǎn)的輸出功率PA和PB分別為: PA=H1×Q1, PB=H2×Q2
從上式看出，如果轉(zhuǎn)速降為50%，則水泵輸出功率下降為12.5％；如果在A、B兩點(diǎn)水泵的效率差別不大，則水泵的輸入功率也大大下降。
3．2調(diào)速時(shí)要求水壓恒定
圖（4）
在圖（4）這種工況下，水泵速度由N1調(diào)到N2,工作點(diǎn)由A點(diǎn)變到B點(diǎn)，流量由Q1變到Q2，水壓保持不變，H1＝H2。水泵在A、B兩點(diǎn)的輸出功率PA＝H1×Q1，PB＝H2×Q2。
PAPB = H1×Q1H2×Q2 =Q1 Q2
這種情況下，水泵輸出功率和流量成正比。（注意：水泵輸出功率不和轉(zhuǎn)速成正比，因?yàn)楣苈诽匦砸炎兓�，Q1不正比于N1，Q2不正比于N2。）這種工況下類似自來水行業(yè)。用戶用水量由Q1下降為Q2（用水量下降是用戶關(guān)閥引起的管路特性發(fā)生變化，由特性曲線（1）變?yōu)榍�（2）仍需水壓保持恒定。
4、水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能效益
4．1管路特性不變
圖（5）
外部管路特性不變。如果通過水泵調(diào)速方式改變流量，按工作點(diǎn)由A點(diǎn)降到B點(diǎn)；如果水泵定速運(yùn)行，通過閥門改變流量，則水泵從A點(diǎn)變?yōu)镃點(diǎn)。水泵在B、C兩工作點(diǎn)的輸出功率和輸出功率差分別為：PC=H3×Q2, PB =H2×Q2；
假設(shè)水泵在B、C兩點(diǎn)效率差別不大，都約為η，則調(diào)速方式相對于關(guān)閥方式，節(jié)能效益 ΔP＝(H3－H2) Q2 η 。
4．2管路特性變化而調(diào)速時(shí)要求水壓恒定
圖（6）
流量由Q1變?yōu)镼2時(shí)，如果水泵定速運(yùn)行，工作點(diǎn)將由A變?yōu)镃點(diǎn)；如果通過調(diào)速方式，水泵工作點(diǎn)將由A變?yōu)锽點(diǎn)。水泵在B、C兩點(diǎn)的輸出功率差為： PC－PB＝（H3－H2）×Q2。假設(shè)水泵在B、C兩個(gè)工作點(diǎn)的效率差別不大，都為η，則水泵輸入功率差
ΔP＝(H3－H2) Q2 η 。
5、水泵調(diào)速運(yùn)行節(jié)能效益計(jì)算實(shí)例
水泵調(diào)速節(jié)能效益與水泵的特性、運(yùn)行方式、電費(fèi)水平等多種因素有關(guān)，由于這些因素在不同場合下千差萬別，計(jì)算節(jié)能效益時(shí)對工況作如下假設(shè)：
水泵功率為1000KW，年運(yùn)行時(shí)間8000小時(shí)，其中1600小時(shí)（即20%時(shí)間）為100%流量，4000小時(shí)（即50%時(shí)間）為70%流量，2400小時(shí)（即30%時(shí)間）為50%流量，調(diào)速裝置效率為96%，假設(shè)水泵流量Q和壓力H在采用閥門調(diào)節(jié)流量時(shí)近似滿足如下關(guān)系：H=A-(A-1)Q2，其中A為水泵出口封閉時(shí)的出口壓力，假設(shè)為140%，假設(shè)電費(fèi)為1元/度。
5．1采用閥門調(diào)節(jié)時(shí)電耗計(jì)算
采用閥門調(diào)節(jié)流量時(shí)，功耗等于流量Q和壓力H的乘積。各種流量的功耗計(jì)算如下：
P100%=1000KW
P70%=1000×0.7×（1.4-0.4×0.7×0.7）=842.8KW
P50%=1000×0.5×（1.4-0.4×0.5×0.5）=650KW
電費(fèi)計(jì)算如下：1000×1600+842.8×4000+650×2400=6531200度，一年電費(fèi)約653萬元。
5．2采用調(diào)速且要求水壓恒定時(shí)電耗計(jì)算
采用調(diào)速水泵調(diào)節(jié)流量時(shí)，如果需要壓力恒定，則功耗仍然按流量Q和壓力H的乘積計(jì)算。各種流量的功耗計(jì)算如下（其中0.96為調(diào)速裝置效率）：
P100%=1000/0.96=1041KW
P70%=1000×0.7×1/0.96=729KW
P50%=1000×0.5×1/0.96=521KW
電費(fèi)計(jì)算如下：1041×1600+729×4000+521×2400=5830000度，一年耗電費(fèi)約583萬元。
流量變化時(shí)，如果要求壓力不變，相對于用閥門調(diào)節(jié)流量，采用變頻器調(diào)節(jié)流量后，一年可以節(jié)省電費(fèi)約653-583=90萬元，節(jié)電量約為13.8%。
5．3采用調(diào)速且管路特性不變時(shí)的電耗計(jì)算
采用調(diào)速水泵調(diào)節(jié)流量時(shí)，如果沒有壓力要求，即假定外部管阻特性不變，則功耗正比于流量的立方。各種流量的功耗計(jì)算如下（其中0.96為變頻器效率）：
P100%=1000KW
P70%=1000×0.73/0.96=357.3KW
P50%=1000×0.53/0.96=130.2KW
電費(fèi)計(jì)算如下：1000×1600+357.3×4000+130.2×2400=3341680度，一年耗電費(fèi)約334.1萬元。
流量變化時(shí)，如果外部管阻特性不變（即流量小時(shí)，壓力也小，調(diào)速時(shí)對壓力不作要求），相對于用閥門調(diào)節(jié)流量，采用變頻器調(diào)節(jié)流量后，一年可以節(jié)省電費(fèi)約653-334=319萬元，節(jié)電量達(dá)到48.8%。
從計(jì)算中可以看出，如果水泵依據(jù)流量需求而調(diào)速，對水壓不作要求的工況，其節(jié)能效果大大好于要求水壓恒定的工況。仿照以上計(jì)算方法，用戶可以根據(jù)自己實(shí)際的水泵容量、供水工況及電費(fèi)水平，直接預(yù)估出調(diào)速后的節(jié)能效益。
6、調(diào)速泵和工頻水泵的并聯(lián)運(yùn)行
6．1多泵并聯(lián)時(shí)，調(diào)速泵實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)的圖示
水泵不管全速運(yùn)行或調(diào)速運(yùn)行，總滿足以下的特性關(guān)系：
圖（7）
圖（7）中繪出水泵分別以不同速度 (n1>n2>n3>n4)運(yùn)行的H_Q特性曲線，縱坐標(biāo)H表示水泵出口水壓，橫坐標(biāo)Q代表水泵流量。從H_Q曲線看出：
a水泵定速運(yùn)行時(shí)，如果其流量減小，水泵出口水壓將增大。如A、B兩點(diǎn)，水泵以恒定速度n1運(yùn)行，當(dāng)該泵流量由 Q2下降到Q1時(shí)，該水泵出口水壓將由H2上升到H1。
b如果水泵的流量相同，水泵高速運(yùn)行時(shí)的出口水壓高于低速運(yùn)行時(shí)出口水壓。如A、D兩點(diǎn)。
c水泵降速運(yùn)行時(shí)，如果其流量比高速運(yùn)行時(shí)減小，則可以和高速運(yùn)行時(shí)有相同的出口水壓值。如B、C兩點(diǎn)。
兩臺一樣的水泵，分別以不同速度運(yùn)行，如果各自流量不同，仍可以有相同的出口水壓值，可以直接并聯(lián)運(yùn)行。
假如當(dāng)前管網(wǎng)總流量為Q2+Q3，管網(wǎng)水壓為H2，由兩臺水泵并聯(lián)供水(多臺并聯(lián)時(shí)很容易類推)。定速泵以n1速度運(yùn)行，達(dá)到出口壓力H2時(shí)提供的流量為Q2，運(yùn)行于B點(diǎn)。調(diào)速泵以n2速度運(yùn)行，達(dá)到出口壓力H2時(shí)提供的流量為Q3，系統(tǒng)達(dá)到平衡。
如果由于工況變化，管網(wǎng)總流量變?yōu)镼2+Q4，仍要保持管網(wǎng)水壓為H2，由兩臺水泵并聯(lián)供水(多臺并聯(lián)時(shí)很容易類推)。定速泵還以n1速度運(yùn)行，達(dá)到出口壓力H2時(shí)提供的流量為Q2，運(yùn)行于B點(diǎn)。而調(diào)速泵降速到n3速度運(yùn)行，達(dá)到出口壓力H2時(shí)提供的流量為Q4，運(yùn)行于E點(diǎn)。系統(tǒng)達(dá)到新的平衡。
在以上兩種工況中，兩臺水泵的出口壓力也完全一致，直接并聯(lián)運(yùn)行，不會有所謂的內(nèi)耗存在。
6．2全速泵和調(diào)速泵直接并聯(lián)運(yùn)行需要注意的幾個(gè)問題
a全速泵和調(diào)速泵的配置方案
從前面的分析很容易知道，需要多臺水泵并聯(lián)供水時(shí)，如果調(diào)速泵的容量能夠滿足大的峰谷調(diào)節(jié)能力，則只要配置一臺調(diào)速泵即可，多臺水泵同時(shí)調(diào)速不僅浪費(fèi)投資，理論上也是沒有必要的。當(dāng)然，如果單臺調(diào)速泵的容量無法滿足大的峰谷調(diào)節(jié)需要，配置多臺調(diào)速水泵，在流量大幅度變化時(shí)，不存在定速泵的再投入和再切除問題，控制和操作簡單，水壓控制平穩(wěn)。
b調(diào)速水泵的低允許轉(zhuǎn)速
從以上的特性曲線看出，如果管網(wǎng)總流量為Q2，管網(wǎng)水壓為H2，定速泵將仍然以n1速度運(yùn)行，達(dá)到出口壓力H2時(shí)提供的流量為Q2，運(yùn)行于B點(diǎn)，單臺水泵就已經(jīng)滿足供水要求。這時(shí)調(diào)速泵降速到n4速度運(yùn)行，達(dá)到出口壓力H2時(shí)提供的流量為0。
如果管網(wǎng)總流量進(jìn)一步下降，而仍然要保持管網(wǎng)水壓為H2，調(diào)速泵轉(zhuǎn)速將降到n4以下，這時(shí)調(diào)速水泵雖然正轉(zhuǎn)，但開始出現(xiàn)水倒流現(xiàn)象（假設(shè)沒有配置止回閥）。定速泵多出的供水能力將被調(diào)速水泵所消耗，真正出現(xiàn)能量浪費(fèi)現(xiàn)象。
在用變頻器作調(diào)速水泵的驅(qū)動(dòng)時(shí)，應(yīng)將變頻器的低頻率限制在n4轉(zhuǎn)速之上。變頻器作恒壓運(yùn)行過程中，如果達(dá)到這個(gè)低頻率點(diǎn)，應(yīng)該切除一臺工頻泵，由調(diào)速泵提速后繼續(xù)運(yùn)行（假設(shè)調(diào)速泵和工頻定速泵容量相同），滿足供水要求。
a調(diào)速水泵和定速水泵的流量分配問題
調(diào)速泵和定速泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，如果總管壓力不變并且設(shè)定在正常范圍，原來水泵選型也比較合理，調(diào)速水泵速度在正常調(diào)速范圍，那么調(diào)速水泵和定速水泵的閥門都可以全部打開，以取得大的節(jié)能效果。但如果工藝上需要一個(gè)比正常值低的水壓，或者定速泵的額定揚(yáng)程遠(yuǎn)高于實(shí)際的管網(wǎng)水壓值，則調(diào)速過程中可能需要適當(dāng)關(guān)閉工頻水泵的出口閥門，以防工頻水泵過流。
b調(diào)速水泵的機(jī)械震動(dòng)問題
傳統(tǒng)的水泵都是按工頻全速運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)的，一般只在高轉(zhuǎn)速下長期運(yùn)行，僅在啟動(dòng)過程中短時(shí)經(jīng)歷其他轉(zhuǎn)速點(diǎn)，所以難保在除工頻之外的其他頻率點(diǎn)上不存在機(jī)械共振現(xiàn)象。將傳統(tǒng)的水泵用調(diào)速裝置驅(qū)動(dòng)調(diào)速運(yùn)行后，除工頻點(diǎn)之外，水泵也可能在調(diào)速區(qū)域的所有頻點(diǎn)上穩(wěn)定運(yùn)行，所以需要在整個(gè)調(diào)速區(qū)域?qū)λ脵C(jī)組作機(jī)械共振測定。如果存在機(jī)械共振頻點(diǎn)，應(yīng)該輸入變頻器，防止變頻器在這些特殊的頻率點(diǎn)上長期運(yùn)行。
c流量變化時(shí)水泵的切除和投入對水壓的影響
多臺水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)調(diào)速水泵流量為0時(shí)，應(yīng)逐步關(guān)閉一臺定速水泵的出口閥門，調(diào)速水泵將自動(dòng)升速接管原定速水泵的供水份額（假設(shè)調(diào)速泵容量不小于工頻定速泵容量）。定速水泵的出口閥門全部關(guān)閉后，將定速水泵切除。定速水泵出口閥門的逐步關(guān)閉和終切除，由電氣線路控制自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。如果調(diào)速水泵流量為0時(shí)，不經(jīng)過閥門的逐漸關(guān)閉過程就突然切除定速水泵，將導(dǎo)致水壓的波動(dòng)。
多臺水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)調(diào)速水泵達(dá)到大轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)立即增開一臺定速水泵，逐步開啟該定速水泵的出口閥門，調(diào)速水泵將自動(dòng)降速出讓供水份額。定速水泵的啟動(dòng)和出口閥門的逐步打開，由電氣線路控制自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。
a水泵佳效率運(yùn)行點(diǎn)
水泵在設(shè)計(jì)時(shí)，有一個(gè)效率佳的運(yùn)行點(diǎn)。出口壓頭過大或過低，流量過大或過小，雖然水泵仍然可以運(yùn)行，但達(dá)不到佳效率。供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按實(shí)際壓力和流量處于水泵效率佳的運(yùn)行點(diǎn)來選擇和配置水泵。
調(diào)速運(yùn)行后，水泵工作點(diǎn)變化范圍較大，在一定水壓和流量區(qū)間下工頻運(yùn)行具有佳效率的水泵，在其他轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)效率不一定達(dá)到佳值（但比調(diào)節(jié)閥門引起的效率下降要小得多）。水泵的生產(chǎn)設(shè)計(jì)廠家有必要對水泵在各種速度下都得到佳運(yùn)行效率的課題加以研究，生產(chǎn)一種在調(diào)速范圍內(nèi)的各種速度下都有較高的運(yùn)行效率、并且不會發(fā)生機(jī)械共振的水泵專作調(diào)速水泵使用。
b恒壓供水和供水量的關(guān)系
作為供水企業(yè)，總希望單位時(shí)間內(nèi)供出的水量越多越好，但這和用調(diào)速泵實(shí)現(xiàn)恒壓供水并不矛盾。實(shí)際上，水流量的多少主要還是取決于用戶用水量的大小，并不能由供水企業(yè)主觀愿望而定。當(dāng)然，適當(dāng)提高供水水壓有可能使供出的水量有所增加，但水量的增加有限，一味提高水壓，不僅提高供水成本，有時(shí)還威脅管網(wǎng)安全，所以恒壓供水現(xiàn)在還是調(diào)速水泵在很多自來水行業(yè)的運(yùn)行方式。
7、水泵常見的各種調(diào)速方式
對高壓大功率的水泵，常見的調(diào)速方式有液力偶合器調(diào)速、串級調(diào)速、內(nèi)反饋調(diào)速、變頻調(diào)速等多種方式。
7．1液力偶合器
液力偶合器調(diào)速應(yīng)用較早，成本較低。但該技術(shù)屬于滑差功率消耗型調(diào)速技術(shù)，轉(zhuǎn)速越低，效率越低。它屬于一種機(jī)械傳輸裝置，必須插入在電機(jī)和水泵之間進(jìn)行安裝，對于水泵調(diào)速改造項(xiàng)目也不太適用，同時(shí)正因?yàn)樗请姍C(jī)和水泵的連接紐帶，一旦它發(fā)生故障，水泵將無法運(yùn)行。另外它不能解決電機(jī)的啟動(dòng)問題，電機(jī)仍然需要直接啟動(dòng)，啟動(dòng)沖擊較大。液力偶合器本身維護(hù)工作量也很大，需要經(jīng)常停機(jī)檢修，換件換油。基于以上一些原因，盡管其成本低廉，除了歷史用戶以外，已經(jīng)很少有人采用，這種技術(shù)目前正被逐漸淘汰之中。
7．2串級調(diào)速
串極調(diào)速是將轉(zhuǎn)子滑差能量整流后再逆變回電網(wǎng)的一種調(diào)速方法，屬于滑差能量回饋型調(diào)速技術(shù)，比液力偶合器調(diào)速在技術(shù)上占優(yōu)。由于控制對象是電機(jī)轉(zhuǎn)子，使用目前耐壓水平的開關(guān)器件就可以方便實(shí)現(xiàn)對高壓電機(jī)的控制。如果調(diào)速范圍要求不高時(shí)，串極調(diào)速裝置容量較小，成本也較低。但串極調(diào)速只適用于繞線式異步電機(jī)，鼠籠電機(jī)無法使用，而繞線式異步電機(jī)的滑環(huán)需要經(jīng)常停機(jī)維護(hù)。串極調(diào)速裝置本身是低壓大電流設(shè)備，效率和可靠性都不是很高，對電網(wǎng)會產(chǎn)生一定的諧波污染。同液力偶合器技術(shù)一樣，串極調(diào)速也沒有解決電機(jī)的啟動(dòng)問題，需要配置一套專門的啟動(dòng)裝置。
7．3內(nèi)反饋調(diào)速
內(nèi)反饋調(diào)速技術(shù)實(shí)際上也是串極調(diào)速的一種，是將轉(zhuǎn)子滑差能量整流后，再逆變送入電機(jī)的另一套定子繞組。內(nèi)反饋調(diào)速和一般串極調(diào)速技術(shù)相比，省掉了一臺逆變變壓器，但電機(jī)定子多了一套繞組，需要采用特殊制造的電機(jī)。同串級調(diào)速技術(shù)一樣，內(nèi)反饋調(diào)速裝置控制的是轉(zhuǎn)差功率，如果水泵對調(diào)速范圍要求不高，裝置容量可以設(shè)計(jì)得比較小，可以有效降低設(shè)備體積和成本。內(nèi)反饋調(diào)速的低轉(zhuǎn)速一般只能到60%，在高速段會產(chǎn)生5%的速度損失。由于設(shè)備本身的低電壓大電流特性，限制了它可實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電機(jī)容量的范圍（對于1000KW/6KV電機(jī)，如果低調(diào)到60%的速度，調(diào)速裝置電流就達(dá)到800A），設(shè)備本身會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的諧波污染和功率因數(shù)滯后，需要采取諧波抑制和功率因數(shù)補(bǔ)償措施。內(nèi)反饋調(diào)速技術(shù)同樣沒有解決電機(jī)的啟動(dòng)問題，需要專門的啟動(dòng)設(shè)備。
7．4變頻調(diào)速
變頻調(diào)速技術(shù)和串級調(diào)速不同，它通過改變電機(jī)定子的供電頻率，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的速度控制，所以它適用于鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)，克服了繞線式異步機(jī)需要經(jīng)常維護(hù)滑環(huán)的弊端。除了變頻器本身設(shè)備成本較高外，它的優(yōu)越性是顯著的：
a適用于籠型異步機(jī)，也適用于繞線式異步機(jī)（只需將轉(zhuǎn)子繞組短接）。
b裝置電流小，可實(shí)現(xiàn)大容量異步電機(jī)的調(diào)速需要。
c由于直接控制電機(jī)定子供電頻率，可實(shí)現(xiàn)真正的軟啟動(dòng)，不需要專門的啟動(dòng)設(shè)備，減少啟動(dòng)沖擊。
d變頻器可以高精度(0.2‰)、高效率(>96%)、寬范圍(0%~100%)地實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的調(diào)速控制。
e屬于高新技術(shù)產(chǎn)品，易于和自動(dòng)化系統(tǒng)聯(lián)機(jī)，提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平。
f基本免維護(hù)，幾乎沒有使用成本。
g易于直接構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水壓、流量、水位等的自動(dòng)控制。
當(dāng)然變頻調(diào)速技術(shù)本身目前也有多種，如高-低方式變頻器調(diào)速（即用變壓器將電網(wǎng)高壓降為低壓，然后接低壓變頻器，控制低壓電機(jī)）、高-低-高方式變頻器調(diào)速（即用變壓器將電網(wǎng)的高壓降為低壓，然后接低壓變頻器，再用變壓器將變頻器輸出電壓升高，控制高壓電機(jī)），直接高-高方式變頻器調(diào)速（變頻器輸入側(cè)直接接高壓電網(wǎng)，輸出側(cè)直接連接高壓電機(jī)）等。單就水泵調(diào)速而言，由單元串聯(lián)組成的高-高方式變頻器在技術(shù)性能上占有一定優(yōu)勢。
8、HRSVERT-A變頻器在水泵調(diào)速上的應(yīng)用
HARSVERT-A變頻器是一種單元串聯(lián)多電平高壓變頻器產(chǎn)品。分3KV、6KV、10KV三大系列，容量從250KVA-5000KVA，覆蓋的電機(jī)功率等級范圍為200KW-4000KW。HARSVERT-A變頻器目前已廣泛應(yīng)用在市政供水、冶金、電力、石化等國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。
8．1變頻器主要特點(diǎn)
a變頻器為高－高結(jié)構(gòu)，輸入側(cè)直接連接用戶高壓開關(guān)，輸出側(cè)直接連接水泵電機(jī)，不需輸出升壓變壓器。
b30、42或48脈沖輸入，電網(wǎng)側(cè)電流諧波小于4%，功率因數(shù)大于0.95(20~100%負(fù)載時(shí))，不需要功率因數(shù)補(bǔ)償和諧波抑制裝置。輸出正弦波電壓，電流諧波小于1%，不需要濾波器，可以直接使用普通異步電動(dòng)機(jī)。
c變頻器有共振點(diǎn)頻率跳躍功能，可有效避免風(fēng)機(jī)喘振現(xiàn)象。
d變頻器對電網(wǎng)電壓波動(dòng)有極強(qiáng)的適應(yīng)能力，在±10%范圍內(nèi)變頻器能滿載工作，電網(wǎng)波動(dòng)-35%時(shí)20秒內(nèi)不停機(jī)，對42或48脈沖變頻器，主電源完全失電3秒內(nèi)也不會停機(jī)。
e變頻器效率為96％（含變壓器）；
f本機(jī)操作和遠(yuǎn)程監(jiān)控均采用全中文界面，參數(shù)設(shè)定、故障查詢、功能設(shè)定、啟動(dòng)停機(jī)操作等全部為中文，適合于中國一般值班運(yùn)行人員水平。
g具有故障自診斷功能，能對所發(fā)生的故障類型及故障位置提供中文指示，功率電路模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)水平要求低。
h具有就地監(jiān)控方式和遠(yuǎn)方監(jiān)控方式。
i調(diào)速范圍：0-100%連續(xù)可調(diào)，調(diào)頻精度為0.01Hz，加/減速時(shí)間0.1-3200 秒
j可自動(dòng)做運(yùn)行記錄，可打印輸出運(yùn)行報(bào)表。
k自備UPS，控制電源掉電報(bào)警但不會停機(jī)，可維持20分鐘。
8．2變頻器針對供水的專用功能
由于HARSVERT-A變頻器直接內(nèi)置PLC，易于改變控制邏輯關(guān)系，可以適應(yīng)多變的現(xiàn)場需要。在供水使用時(shí)，HARSVERT-A變頻器直接設(shè)置了閉環(huán)運(yùn)行、自動(dòng)調(diào)度、閥門聯(lián)動(dòng)等專項(xiàng)功能。
閉環(huán)運(yùn)行功能：
變頻器采集現(xiàn)場的水壓、水位、流量等數(shù)據(jù)（4~20mA信號），根據(jù)其設(shè)定值和實(shí)際值的變化情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，控制水泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水、恒流量供水、或恒水位控制。
自動(dòng)調(diào)度功能：
用戶可根據(jù)一天內(nèi)運(yùn)行工況的需求情況，將變頻器的運(yùn)行方式及給定值按對應(yīng)的時(shí)間段一次性填入變頻器的自動(dòng)調(diào)度表，在一天之內(nèi)變頻器將按照調(diào)度表自動(dòng)運(yùn)行，不再需要運(yùn)行人員隨時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)真正無人值守。
閥門聯(lián)動(dòng)控制功能：
a水泵啟動(dòng)后，當(dāng)泵口水壓達(dá)到規(guī)定值時(shí)，變頻器自動(dòng)開啟閥門；
b在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，如果閥門無法開啟到位，變頻器提供報(bào)警信息；
c需要停機(jī)時(shí)，變頻器自動(dòng)先關(guān)閉閥門，閥門全關(guān)后，變頻器自動(dòng)減速停機(jī)；
d在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，如果閥門無法關(guān)閉到位，變頻器提供報(bào)警信息，同時(shí)繼續(xù)運(yùn)行保障供水安全；
e變頻器故障時(shí)，變頻器將首先自動(dòng)關(guān)閉閥門；
f閥門聯(lián)動(dòng)功能可以由用戶選擇有效或無效，同時(shí)不影響原有的開閥和關(guān)閥控制功能。
9、結(jié)語
綜合本文所述，在供水系統(tǒng)中，調(diào)速水泵和定速水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，由于分擔(dān)的流量不同，盡管速度不同，但水壓相同，不過變頻水泵有低速限制要求。如果水泵是根據(jù)流量變化來調(diào)節(jié)速度，在對水壓有要求時(shí)（壓力不變而流量變化，實(shí)際相當(dāng)于管阻特性變化），不能簡單按照功耗正比于流量的立方這種關(guān)系去計(jì)算節(jié)能效益，因?yàn)檫@種場合下（即管阻變化）這種關(guān)系并不成立。在水泵的諸多調(diào)速方法中，變頻調(diào)速是一種效果佳的方式，其中尤以單元串聯(lián)多電平變頻器為優(yōu)，它不僅效率高、功率因數(shù)高、而且波形好，對電網(wǎng)不產(chǎn)生諧波污染。HARSVERT-A變頻器還內(nèi)置PLC，可以將不同用戶的不同要求和變頻器的啟動(dòng)停機(jī)操作進(jìn)行無縫集成，大大提高變頻器應(yīng)用的自動(dòng)化程度。
水泵調(diào)速技術(shù)已經(jīng)存在多年，早期主要是一些低壓水泵采用低壓變頻器進(jìn)行調(diào)速，因?yàn)槌杀静桓撸圆捎帽容^普遍。而對于高壓水泵的調(diào)速，早期還大多是采用液力偶合器、串級調(diào)速等傳統(tǒng)方法來實(shí)現(xiàn)。隨著高壓大功率變頻器的出現(xiàn)，目前采用高壓變頻器對高壓水泵進(jìn)行調(diào)速逐漸成為一種趨勢。由于高壓變頻器目前成本相對較高，許多供水行業(yè)的人士出于投資回收考慮，對水泵調(diào)速這項(xiàng)技術(shù)本身及其可以取得的效益都比較關(guān)心，經(jīng)常有如下一些疑惑：
a供水系統(tǒng)一般多臺水泵并聯(lián)運(yùn)行，設(shè)計(jì)原則是同壓頭水泵并聯(lián)，同流量水泵串聯(lián)。而調(diào)速泵速度降低后，按一般常理認(rèn)為，其輸出水壓將降低，那么調(diào)速泵如何再與其他工頻泵并聯(lián)，是否有內(nèi)耗存在？
b常說水泵流量和轉(zhuǎn)速成正比，壓力和轉(zhuǎn)速平方成正比，其功率則和轉(zhuǎn)速立方成正比，也就是說水泵的功耗是按流量的立方關(guān)系變化的，假設(shè)水泵流量調(diào)到一半時(shí)，水泵的軸功率只有滿流量時(shí)的12.5%，省電應(yīng)達(dá)到87.5%，可為什么實(shí)際系統(tǒng)的節(jié)能效果遠(yuǎn)不是這樣？到底怎樣預(yù)估一個(gè)水泵調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能潛力？
c調(diào)速水泵和工頻水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，調(diào)速水泵能否無限制往下調(diào)速？調(diào)速泵是不是轉(zhuǎn)速到0時(shí)流量才為0？并聯(lián)工頻水泵會不會過流？調(diào)速泵會不會水流倒慣？調(diào)速時(shí)應(yīng)注意什么問題？
d水泵調(diào)速方法有哪些？究竟什么方式比較可��？對水泵進(jìn)行調(diào)速改造，除了節(jié)能，到底還能有什么其他效益？
本文將從水泵的工作特性出發(fā)，解釋和回答這些問題，不對之處，歡迎專家指正。
2、水泵的工作特性
圖（1）
水泵定速工作時(shí)，工作特性如圖（1）所示。曲線①為水泵按轉(zhuǎn)速N1定速工作時(shí)的Q-H曲線，曲線②③為管路特性曲線。
在第一種負(fù)載工況下，水泵工作在A點(diǎn)，流量為Q1，壓力為H1。當(dāng)流量減為Q2時(shí)，水壓將上升到H2，水泵工作在B點(diǎn)。水壓的上升，一方面存在不必要的電耗，另一方面也可能威脅到供水管網(wǎng)的安全。
從水泵定速工作特性曲線看出，盡管水泵工作轉(zhuǎn)速不變，但只要管網(wǎng)特性發(fā)生變化（曲線②變?yōu)榍�③），那么水泵的工作點(diǎn)是發(fā)生變化的，其流量和壓力也隨之變化。換言之，水泵的輸出壓力并不只是轉(zhuǎn)速的單值函數(shù)。
在自來水行業(yè)，流量的減少是因?yàn)橐归g用戶關(guān)閥，管網(wǎng)特性曲線發(fā)生了變化，曲線②變?yōu)榍�③，流量由Q1降為Q2。為了防止管網(wǎng)水壓的上升威脅到管網(wǎng)安全，可以調(diào)節(jié)水泵出口閥門或者改開小泵。
在一些化工生產(chǎn)、制冷等行業(yè)，流量的減少是因?yàn)樯a(chǎn)工藝的需要，這時(shí)可以調(diào)節(jié)水泵輸出閥門，人為改變管網(wǎng)特性，使水泵工作點(diǎn)由A點(diǎn)變到B點(diǎn)，從而達(dá)到主動(dòng)調(diào)節(jié)流量的目的。
圖（2）
圖（2）示出了水泵調(diào)速運(yùn)行時(shí)，水泵工作特性的變化情況，曲線①②③分別為水泵按N1 、N3和N2三種速度運(yùn)行時(shí)的特性曲線，曲線④⑤為管網(wǎng)特性曲線。如果管網(wǎng)特性不變，保持為曲線④，水泵由N1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到N2速運(yùn)行時(shí)，水泵的工作點(diǎn)將由A點(diǎn)變到B點(diǎn)，流量和水壓分別變到Q2和H2，它們都隨著轉(zhuǎn)速的下降而下降。負(fù)載特性不變時(shí)，水泵的流量Q、水壓H、軸功率P和轉(zhuǎn)速N之間滿足如下關(guān)系：
Q∝N，H∝N2,P∝N3。
但如果是外界因素導(dǎo)致管網(wǎng)特性發(fā)生變化（由曲線④變?yōu)榍�⑤），使得流量減少為Q2，但又要維持水壓不變，這時(shí)水泵可以將速度調(diào)節(jié)到N3運(yùn)行，從工作曲線中可以看出，水泵的轉(zhuǎn)速和輸出流量下降，但水泵的輸出壓力卻保持不變，這就是為什么流量變化時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)恒壓供水的理論依據(jù)。這種情況下，由于管網(wǎng)特性的改變，水泵的流量Q、水壓H、軸功率P和轉(zhuǎn)速N之間不再滿足Q∝N、H∝N2、P∝N3的關(guān)系，并不是轉(zhuǎn)速下降其水壓就下降，水泵速度下降且其分擔(dān)的流量下降后，只要其輸出水壓不變，就可以和其他高速水泵并聯(lián)運(yùn)行。
3、水泵調(diào)速運(yùn)行的軸功率
3．1管路特性不變
管路特性不變時(shí)，水壓隨流量的變化而變化，調(diào)速時(shí)只對流量作要求，對水壓不作要求，這時(shí)水泵的工作情況如圖（3）所示：
圖（3）
從圖可見，需要流量下降時(shí)，將水泵速度由N1下調(diào)為N2,則水泵工作點(diǎn)由A點(diǎn)變?yōu)锽點(diǎn)，流量由Q1變?yōu)镼2，壓力由H1變?yōu)镠2，水泵在A、B兩個(gè)工作點(diǎn)的輸出功率PA和PB分別為: PA=H1×Q1, PB=H2×Q2
從上式看出，如果轉(zhuǎn)速降為50%，則水泵輸出功率下降為12.5％；如果在A、B兩點(diǎn)水泵的效率差別不大，則水泵的輸入功率也大大下降。
3．2調(diào)速時(shí)要求水壓恒定
圖（4）
在圖（4）這種工況下，水泵速度由N1調(diào)到N2,工作點(diǎn)由A點(diǎn)變到B點(diǎn)，流量由Q1變到Q2，水壓保持不變，H1＝H2。水泵在A、B兩點(diǎn)的輸出功率PA＝H1×Q1，PB＝H2×Q2。
PAPB = H1×Q1H2×Q2 =Q1 Q2
這種情況下，水泵輸出功率和流量成正比。（注意：水泵輸出功率不和轉(zhuǎn)速成正比，因?yàn)楣苈诽匦砸炎兓�，Q1不正比于N1，Q2不正比于N2。）這種工況下類似自來水行業(yè)。用戶用水量由Q1下降為Q2（用水量下降是用戶關(guān)閥引起的管路特性發(fā)生變化，由特性曲線（1）變?yōu)榍�（2）仍需水壓保持恒定。
4、水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能效益
4．1管路特性不變
圖（5）
外部管路特性不變。如果通過水泵調(diào)速方式改變流量，按工作點(diǎn)由A點(diǎn)降到B點(diǎn)；如果水泵定速運(yùn)行，通過閥門改變流量，則水泵從A點(diǎn)變?yōu)镃點(diǎn)。水泵在B、C兩工作點(diǎn)的輸出功率和輸出功率差分別為：PC=H3×Q2, PB =H2×Q2；
假設(shè)水泵在B、C兩點(diǎn)效率差別不大，都約為η，則調(diào)速方式相對于關(guān)閥方式，節(jié)能效益 ΔP＝(H3－H2) Q2 η 。
4．2管路特性變化而調(diào)速時(shí)要求水壓恒定
圖（6）
流量由Q1變?yōu)镼2時(shí)，如果水泵定速運(yùn)行，工作點(diǎn)將由A變?yōu)镃點(diǎn)；如果通過調(diào)速方式，水泵工作點(diǎn)將由A變?yōu)锽點(diǎn)。水泵在B、C兩點(diǎn)的輸出功率差為： PC－PB＝（H3－H2）×Q2。假設(shè)水泵在B、C兩個(gè)工作點(diǎn)的效率差別不大，都為η，則水泵輸入功率差
ΔP＝(H3－H2) Q2 η 。
5、水泵調(diào)速運(yùn)行節(jié)能效益計(jì)算實(shí)例
水泵調(diào)速節(jié)能效益與水泵的特性、運(yùn)行方式、電費(fèi)水平等多種因素有關(guān)，由于這些因素在不同場合下千差萬別，計(jì)算節(jié)能效益時(shí)對工況作如下假設(shè)：
水泵功率為1000KW，年運(yùn)行時(shí)間8000小時(shí)，其中1600小時(shí)（即20%時(shí)間）為100%流量，4000小時(shí)（即50%時(shí)間）為70%流量，2400小時(shí)（即30%時(shí)間）為50%流量，調(diào)速裝置效率為96%，假設(shè)水泵流量Q和壓力H在采用閥門調(diào)節(jié)流量時(shí)近似滿足如下關(guān)系：H=A-(A-1)Q2，其中A為水泵出口封閉時(shí)的出口壓力，假設(shè)為140%，假設(shè)電費(fèi)為1元/度。
5．1采用閥門調(diào)節(jié)時(shí)電耗計(jì)算
采用閥門調(diào)節(jié)流量時(shí)，功耗等于流量Q和壓力H的乘積。各種流量的功耗計(jì)算如下：
P100%=1000KW
P70%=1000×0.7×（1.4-0.4×0.7×0.7）=842.8KW
P50%=1000×0.5×（1.4-0.4×0.5×0.5）=650KW
電費(fèi)計(jì)算如下：1000×1600+842.8×4000+650×2400=6531200度，一年電費(fèi)約653萬元。
5．2采用調(diào)速且要求水壓恒定時(shí)電耗計(jì)算
采用調(diào)速水泵調(diào)節(jié)流量時(shí)，如果需要壓力恒定，則功耗仍然按流量Q和壓力H的乘積計(jì)算。各種流量的功耗計(jì)算如下（其中0.96為調(diào)速裝置效率）：
P100%=1000/0.96=1041KW
P70%=1000×0.7×1/0.96=729KW
P50%=1000×0.5×1/0.96=521KW
電費(fèi)計(jì)算如下：1041×1600+729×4000+521×2400=5830000度，一年耗電費(fèi)約583萬元。
流量變化時(shí)，如果要求壓力不變，相對于用閥門調(diào)節(jié)流量，采用變頻器調(diào)節(jié)流量后，一年可以節(jié)省電費(fèi)約653-583=90萬元，節(jié)電量約為13.8%。
5．3采用調(diào)速且管路特性不變時(shí)的電耗計(jì)算
采用調(diào)速水泵調(diào)節(jié)流量時(shí)，如果沒有壓力要求，即假定外部管阻特性不變，則功耗正比于流量的立方。各種流量的功耗計(jì)算如下（其中0.96為變頻器效率）：
P100%=1000KW
P70%=1000×0.73/0.96=357.3KW
P50%=1000×0.53/0.96=130.2KW
電費(fèi)計(jì)算如下：1000×1600+357.3×4000+130.2×2400=3341680度，一年耗電費(fèi)約334.1萬元。
流量變化時(shí)，如果外部管阻特性不變（即流量小時(shí)，壓力也小，調(diào)速時(shí)對壓力不作要求），相對于用閥門調(diào)節(jié)流量，采用變頻器調(diào)節(jié)流量后，一年可以節(jié)省電費(fèi)約653-334=319萬元，節(jié)電量達(dá)到48.8%。
從計(jì)算中可以看出，如果水泵依據(jù)流量需求而調(diào)速，對水壓不作要求的工況，其節(jié)能效果大大好于要求水壓恒定的工況。仿照以上計(jì)算方法，用戶可以根據(jù)自己實(shí)際的水泵容量、供水工況及電費(fèi)水平，直接預(yù)估出調(diào)速后的節(jié)能效益。
6、調(diào)速泵和工頻水泵的并聯(lián)運(yùn)行
6．1多泵并聯(lián)時(shí)，調(diào)速泵實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)的圖示
水泵不管全速運(yùn)行或調(diào)速運(yùn)行，總滿足以下的特性關(guān)系：
圖（7）
圖（7）中繪出水泵分別以不同速度 (n1>n2>n3>n4)運(yùn)行的H_Q特性曲線，縱坐標(biāo)H表示水泵出口水壓，橫坐標(biāo)Q代表水泵流量。從H_Q曲線看出：
a水泵定速運(yùn)行時(shí)，如果其流量減小，水泵出口水壓將增大。如A、B兩點(diǎn)，水泵以恒定速度n1運(yùn)行，當(dāng)該泵流量由 Q2下降到Q1時(shí)，該水泵出口水壓將由H2上升到H1。
b如果水泵的流量相同，水泵高速運(yùn)行時(shí)的出口水壓高于低速運(yùn)行時(shí)出口水壓。如A、D兩點(diǎn)。
c水泵降速運(yùn)行時(shí)，如果其流量比高速運(yùn)行時(shí)減小，則可以和高速運(yùn)行時(shí)有相同的出口水壓值。如B、C兩點(diǎn)。
兩臺一樣的水泵，分別以不同速度運(yùn)行，如果各自流量不同，仍可以有相同的出口水壓值，可以直接并聯(lián)運(yùn)行。
假如當(dāng)前管網(wǎng)總流量為Q2+Q3，管網(wǎng)水壓為H2，由兩臺水泵并聯(lián)供水(多臺并聯(lián)時(shí)很容易類推)。定速泵以n1速度運(yùn)行，達(dá)到出口壓力H2時(shí)提供的流量為Q2，運(yùn)行于B點(diǎn)。調(diào)速泵以n2速度運(yùn)行，達(dá)到出口壓力H2時(shí)提供的流量為Q3，系統(tǒng)達(dá)到平衡。
如果由于工況變化，管網(wǎng)總流量變?yōu)镼2+Q4，仍要保持管網(wǎng)水壓為H2，由兩臺水泵并聯(lián)供水(多臺并聯(lián)時(shí)很容易類推)。定速泵還以n1速度運(yùn)行，達(dá)到出口壓力H2時(shí)提供的流量為Q2，運(yùn)行于B點(diǎn)。而調(diào)速泵降速到n3速度運(yùn)行，達(dá)到出口壓力H2時(shí)提供的流量為Q4，運(yùn)行于E點(diǎn)。系統(tǒng)達(dá)到新的平衡。
在以上兩種工況中，兩臺水泵的出口壓力也完全一致，直接并聯(lián)運(yùn)行，不會有所謂的內(nèi)耗存在。
6．2全速泵和調(diào)速泵直接并聯(lián)運(yùn)行需要注意的幾個(gè)問題
a全速泵和調(diào)速泵的配置方案
從前面的分析很容易知道，需要多臺水泵并聯(lián)供水時(shí)，如果調(diào)速泵的容量能夠滿足大的峰谷調(diào)節(jié)能力，則只要配置一臺調(diào)速泵即可，多臺水泵同時(shí)調(diào)速不僅浪費(fèi)投資，理論上也是沒有必要的。當(dāng)然，如果單臺調(diào)速泵的容量無法滿足大的峰谷調(diào)節(jié)需要，配置多臺調(diào)速水泵，在流量大幅度變化時(shí)，不存在定速泵的再投入和再切除問題，控制和操作簡單，水壓控制平穩(wěn)。
b調(diào)速水泵的低允許轉(zhuǎn)速
從以上的特性曲線看出，如果管網(wǎng)總流量為Q2，管網(wǎng)水壓為H2，定速泵將仍然以n1速度運(yùn)行，達(dá)到出口壓力H2時(shí)提供的流量為Q2，運(yùn)行于B點(diǎn)，單臺水泵就已經(jīng)滿足供水要求。這時(shí)調(diào)速泵降速到n4速度運(yùn)行，達(dá)到出口壓力H2時(shí)提供的流量為0。
如果管網(wǎng)總流量進(jìn)一步下降，而仍然要保持管網(wǎng)水壓為H2，調(diào)速泵轉(zhuǎn)速將降到n4以下，這時(shí)調(diào)速水泵雖然正轉(zhuǎn)，但開始出現(xiàn)水倒流現(xiàn)象（假設(shè)沒有配置止回閥）。定速泵多出的供水能力將被調(diào)速水泵所消耗，真正出現(xiàn)能量浪費(fèi)現(xiàn)象。
在用變頻器作調(diào)速水泵的驅(qū)動(dòng)時(shí)，應(yīng)將變頻器的低頻率限制在n4轉(zhuǎn)速之上。變頻器作恒壓運(yùn)行過程中，如果達(dá)到這個(gè)低頻率點(diǎn)，應(yīng)該切除一臺工頻泵，由調(diào)速泵提速后繼續(xù)運(yùn)行（假設(shè)調(diào)速泵和工頻定速泵容量相同），滿足供水要求。
a調(diào)速水泵和定速水泵的流量分配問題
調(diào)速泵和定速泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，如果總管壓力不變并且設(shè)定在正常范圍，原來水泵選型也比較合理，調(diào)速水泵速度在正常調(diào)速范圍，那么調(diào)速水泵和定速水泵的閥門都可以全部打開，以取得大的節(jié)能效果。但如果工藝上需要一個(gè)比正常值低的水壓，或者定速泵的額定揚(yáng)程遠(yuǎn)高于實(shí)際的管網(wǎng)水壓值，則調(diào)速過程中可能需要適當(dāng)關(guān)閉工頻水泵的出口閥門，以防工頻水泵過流。
b調(diào)速水泵的機(jī)械震動(dòng)問題
傳統(tǒng)的水泵都是按工頻全速運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)的，一般只在高轉(zhuǎn)速下長期運(yùn)行，僅在啟動(dòng)過程中短時(shí)經(jīng)歷其他轉(zhuǎn)速點(diǎn)，所以難保在除工頻之外的其他頻率點(diǎn)上不存在機(jī)械共振現(xiàn)象。將傳統(tǒng)的水泵用調(diào)速裝置驅(qū)動(dòng)調(diào)速運(yùn)行后，除工頻點(diǎn)之外，水泵也可能在調(diào)速區(qū)域的所有頻點(diǎn)上穩(wěn)定運(yùn)行，所以需要在整個(gè)調(diào)速區(qū)域?qū)λ脵C(jī)組作機(jī)械共振測定。如果存在機(jī)械共振頻點(diǎn)，應(yīng)該輸入變頻器，防止變頻器在這些特殊的頻率點(diǎn)上長期運(yùn)行。
c流量變化時(shí)水泵的切除和投入對水壓的影響
多臺水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)調(diào)速水泵流量為0時(shí)，應(yīng)逐步關(guān)閉一臺定速水泵的出口閥門，調(diào)速水泵將自動(dòng)升速接管原定速水泵的供水份額（假設(shè)調(diào)速泵容量不小于工頻定速泵容量）。定速水泵的出口閥門全部關(guān)閉后，將定速水泵切除。定速水泵出口閥門的逐步關(guān)閉和終切除，由電氣線路控制自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。如果調(diào)速水泵流量為0時(shí)，不經(jīng)過閥門的逐漸關(guān)閉過程就突然切除定速水泵，將導(dǎo)致水壓的波動(dòng)。
多臺水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)調(diào)速水泵達(dá)到大轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)立即增開一臺定速水泵，逐步開啟該定速水泵的出口閥門，調(diào)速水泵將自動(dòng)降速出讓供水份額。定速水泵的啟動(dòng)和出口閥門的逐步打開，由電氣線路控制自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。
a水泵佳效率運(yùn)行點(diǎn)
水泵在設(shè)計(jì)時(shí)，有一個(gè)效率佳的運(yùn)行點(diǎn)。出口壓頭過大或過低，流量過大或過小，雖然水泵仍然可以運(yùn)行，但達(dá)不到佳效率。供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按實(shí)際壓力和流量處于水泵效率佳的運(yùn)行點(diǎn)來選擇和配置水泵。
調(diào)速運(yùn)行后，水泵工作點(diǎn)變化范圍較大，在一定水壓和流量區(qū)間下工頻運(yùn)行具有佳效率的水泵，在其他轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)效率不一定達(dá)到佳值（但比調(diào)節(jié)閥門引起的效率下降要小得多）。水泵的生產(chǎn)設(shè)計(jì)廠家有必要對水泵在各種速度下都得到佳運(yùn)行效率的課題加以研究，生產(chǎn)一種在調(diào)速范圍內(nèi)的各種速度下都有較高的運(yùn)行效率、并且不會發(fā)生機(jī)械共振的水泵專作調(diào)速水泵使用。
b恒壓供水和供水量的關(guān)系
作為供水企業(yè)，總希望單位時(shí)間內(nèi)供出的水量越多越好，但這和用調(diào)速泵實(shí)現(xiàn)恒壓供水并不矛盾。實(shí)際上，水流量的多少主要還是取決于用戶用水量的大小，并不能由供水企業(yè)主觀愿望而定。當(dāng)然，適當(dāng)提高供水水壓有可能使供出的水量有所增加，但水量的增加有限，一味提高水壓，不僅提高供水成本，有時(shí)還威脅管網(wǎng)安全，所以恒壓供水現(xiàn)在還是調(diào)速水泵在很多自來水行業(yè)的運(yùn)行方式。
7、水泵常見的各種調(diào)速方式
對高壓大功率的水泵，常見的調(diào)速方式有液力偶合器調(diào)速、串級調(diào)速、內(nèi)反饋調(diào)速、變頻調(diào)速等多種方式。
7．1液力偶合器
液力偶合器調(diào)速應(yīng)用較早，成本較低。但該技術(shù)屬于滑差功率消耗型調(diào)速技術(shù)，轉(zhuǎn)速越低，效率越低。它屬于一種機(jī)械傳輸裝置，必須插入在電機(jī)和水泵之間進(jìn)行安裝，對于水泵調(diào)速改造項(xiàng)目也不太適用，同時(shí)正因?yàn)樗请姍C(jī)和水泵的連接紐帶，一旦它發(fā)生故障，水泵將無法運(yùn)行。另外它不能解決電機(jī)的啟動(dòng)問題，電機(jī)仍然需要直接啟動(dòng)，啟動(dòng)沖擊較大。液力偶合器本身維護(hù)工作量也很大，需要經(jīng)常停機(jī)檢修，換件換油。基于以上一些原因，盡管其成本低廉，除了歷史用戶以外，已經(jīng)很少有人采用，這種技術(shù)目前正被逐漸淘汰之中。
7．2串級調(diào)速
串極調(diào)速是將轉(zhuǎn)子滑差能量整流后再逆變回電網(wǎng)的一種調(diào)速方法，屬于滑差能量回饋型調(diào)速技術(shù)，比液力偶合器調(diào)速在技術(shù)上占優(yōu)。由于控制對象是電機(jī)轉(zhuǎn)子，使用目前耐壓水平的開關(guān)器件就可以方便實(shí)現(xiàn)對高壓電機(jī)的控制。如果調(diào)速范圍要求不高時(shí)，串極調(diào)速裝置容量較小，成本也較低。但串極調(diào)速只適用于繞線式異步電機(jī)，鼠籠電機(jī)無法使用，而繞線式異步電機(jī)的滑環(huán)需要經(jīng)常停機(jī)維護(hù)。串極調(diào)速裝置本身是低壓大電流設(shè)備，效率和可靠性都不是很高，對電網(wǎng)會產(chǎn)生一定的諧波污染。同液力偶合器技術(shù)一樣，串極調(diào)速也沒有解決電機(jī)的啟動(dòng)問題，需要配置一套專門的啟動(dòng)裝置。
7．3內(nèi)反饋調(diào)速
內(nèi)反饋調(diào)速技術(shù)實(shí)際上也是串極調(diào)速的一種，是將轉(zhuǎn)子滑差能量整流后，再逆變送入電機(jī)的另一套定子繞組。內(nèi)反饋調(diào)速和一般串極調(diào)速技術(shù)相比，省掉了一臺逆變變壓器，但電機(jī)定子多了一套繞組，需要采用特殊制造的電機(jī)。同串級調(diào)速技術(shù)一樣，內(nèi)反饋調(diào)速裝置控制的是轉(zhuǎn)差功率，如果水泵對調(diào)速范圍要求不高，裝置容量可以設(shè)計(jì)得比較小，可以有效降低設(shè)備體積和成本。內(nèi)反饋調(diào)速的低轉(zhuǎn)速一般只能到60%，在高速段會產(chǎn)生5%的速度損失。由于設(shè)備本身的低電壓大電流特性，限制了它可實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電機(jī)容量的范圍（對于1000KW/6KV電機(jī)，如果低調(diào)到60%的速度，調(diào)速裝置電流就達(dá)到800A），設(shè)備本身會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的諧波污染和功率因數(shù)滯后，需要采取諧波抑制和功率因數(shù)補(bǔ)償措施。內(nèi)反饋調(diào)速技術(shù)同樣沒有解決電機(jī)的啟動(dòng)問題，需要專門的啟動(dòng)設(shè)備。
7．4變頻調(diào)速
變頻調(diào)速技術(shù)和串級調(diào)速不同，它通過改變電機(jī)定子的供電頻率，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的速度控制，所以它適用于鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)，克服了繞線式異步機(jī)需要經(jīng)常維護(hù)滑環(huán)的弊端。除了變頻器本身設(shè)備成本較高外，它的優(yōu)越性是顯著的：
a適用于籠型異步機(jī)，也適用于繞線式異步機(jī)（只需將轉(zhuǎn)子繞組短接）。
b裝置電流小，可實(shí)現(xiàn)大容量異步電機(jī)的調(diào)速需要。
c由于直接控制電機(jī)定子供電頻率，可實(shí)現(xiàn)真正的軟啟動(dòng)，不需要專門的啟動(dòng)設(shè)備，減少啟動(dòng)沖擊。
d變頻器可以高精度(0.2‰)、高效率(>96%)、寬范圍(0%~100%)地實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的調(diào)速控制。
e屬于高新技術(shù)產(chǎn)品，易于和自動(dòng)化系統(tǒng)聯(lián)機(jī)，提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平。
f基本免維護(hù)，幾乎沒有使用成本。
g易于直接構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水壓、流量、水位等的自動(dòng)控制。
當(dāng)然變頻調(diào)速技術(shù)本身目前也有多種，如高-低方式變頻器調(diào)速（即用變壓器將電網(wǎng)高壓降為低壓，然后接低壓變頻器，控制低壓電機(jī)）、高-低-高方式變頻器調(diào)速（即用變壓器將電網(wǎng)的高壓降為低壓，然后接低壓變頻器，再用變壓器將變頻器輸出電壓升高，控制高壓電機(jī)），直接高-高方式變頻器調(diào)速（變頻器輸入側(cè)直接接高壓電網(wǎng)，輸出側(cè)直接連接高壓電機(jī)）等。單就水泵調(diào)速而言，由單元串聯(lián)組成的高-高方式變頻器在技術(shù)性能上占有一定優(yōu)勢。
8、HRSVERT-A變頻器在水泵調(diào)速上的應(yīng)用
HARSVERT-A變頻器是一種單元串聯(lián)多電平高壓變頻器產(chǎn)品。分3KV、6KV、10KV三大系列，容量從250KVA-5000KVA，覆蓋的電機(jī)功率等級范圍為200KW-4000KW。HARSVERT-A變頻器目前已廣泛應(yīng)用在市政供水、冶金、電力、石化等國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。
8．1變頻器主要特點(diǎn)
a變頻器為高－高結(jié)構(gòu)，輸入側(cè)直接連接用戶高壓開關(guān)，輸出側(cè)直接連接水泵電機(jī)，不需輸出升壓變壓器。
b30、42或48脈沖輸入，電網(wǎng)側(cè)電流諧波小于4%，功率因數(shù)大于0.95(20~100%負(fù)載時(shí))，不需要功率因數(shù)補(bǔ)償和諧波抑制裝置。輸出正弦波電壓，電流諧波小于1%，不需要濾波器，可以直接使用普通異步電動(dòng)機(jī)。
c變頻器有共振點(diǎn)頻率跳躍功能，可有效避免風(fēng)機(jī)喘振現(xiàn)象。
d變頻器對電網(wǎng)電壓波動(dòng)有極強(qiáng)的適應(yīng)能力，在±10%范圍內(nèi)變頻器能滿載工作，電網(wǎng)波動(dòng)-35%時(shí)20秒內(nèi)不停機(jī)，對42或48脈沖變頻器，主電源完全失電3秒內(nèi)也不會停機(jī)。
e變頻器效率為96％（含變壓器）；
f本機(jī)操作和遠(yuǎn)程監(jiān)控均采用全中文界面，參數(shù)設(shè)定、故障查詢、功能設(shè)定、啟動(dòng)停機(jī)操作等全部為中文，適合于中國一般值班運(yùn)行人員水平。
g具有故障自診斷功能，能對所發(fā)生的故障類型及故障位置提供中文指示，功率電路模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)水平要求低。
h具有就地監(jiān)控方式和遠(yuǎn)方監(jiān)控方式。
i調(diào)速范圍：0-100%連續(xù)可調(diào)，調(diào)頻精度為0.01Hz，加/減速時(shí)間0.1-3200 秒
j可自動(dòng)做運(yùn)行記錄，可打印輸出運(yùn)行報(bào)表。
k自備UPS，控制電源掉電報(bào)警但不會停機(jī)，可維持20分鐘。
8．2變頻器針對供水的專用功能
由于HARSVERT-A變頻器直接內(nèi)置PLC，易于改變控制邏輯關(guān)系，可以適應(yīng)多變的現(xiàn)場需要。在供水使用時(shí)，HARSVERT-A變頻器直接設(shè)置了閉環(huán)運(yùn)行、自動(dòng)調(diào)度、閥門聯(lián)動(dòng)等專項(xiàng)功能。
閉環(huán)運(yùn)行功能：
變頻器采集現(xiàn)場的水壓、水位、流量等數(shù)據(jù)（4~20mA信號），根據(jù)其設(shè)定值和實(shí)際值的變化情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，控制水泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水、恒流量供水、或恒水位控制。
自動(dòng)調(diào)度功能：
用戶可根據(jù)一天內(nèi)運(yùn)行工況的需求情況，將變頻器的運(yùn)行方式及給定值按對應(yīng)的時(shí)間段一次性填入變頻器的自動(dòng)調(diào)度表，在一天之內(nèi)變頻器將按照調(diào)度表自動(dòng)運(yùn)行，不再需要運(yùn)行人員隨時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)真正無人值守。
閥門聯(lián)動(dòng)控制功能：
a水泵啟動(dòng)后，當(dāng)泵口水壓達(dá)到規(guī)定值時(shí)，變頻器自動(dòng)開啟閥門；
b在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，如果閥門無法開啟到位，變頻器提供報(bào)警信息；
c需要停機(jī)時(shí)，變頻器自動(dòng)先關(guān)閉閥門，閥門全關(guān)后，變頻器自動(dòng)減速停機(jī)；
d在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，如果閥門無法關(guān)閉到位，變頻器提供報(bào)警信息，同時(shí)繼續(xù)運(yùn)行保障供水安全；
e變頻器故障時(shí)，變頻器將首先自動(dòng)關(guān)閉閥門；
f閥門聯(lián)動(dòng)功能可以由用戶選擇有效或無效，同時(shí)不影響原有的開閥和關(guān)閥控制功能。
9、結(jié)語
綜合本文所述，在供水系統(tǒng)中，調(diào)速水泵和定速水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，由于分擔(dān)的流量不同，盡管速度不同，但水壓相同，不過變頻水泵有低速限制要求。如果水泵是根據(jù)流量變化來調(diào)節(jié)速度，在對水壓有要求時(shí)（壓力不變而流量變化，實(shí)際相當(dāng)于管阻特性變化），不能簡單按照功耗正比于流量的立方這種關(guān)系去計(jì)算節(jié)能效益，因?yàn)檫@種場合下（即管阻變化）這種關(guān)系并不成立。在水泵的諸多調(diào)速方法中，變頻調(diào)速是一種效果佳的方式，其中尤以單元串聯(lián)多電平變頻器為優(yōu)，它不僅效率高、功率因數(shù)高、而且波形好，對電網(wǎng)不產(chǎn)生諧波污染。HARSVERT-A變頻器還內(nèi)置PLC，可以將不同用戶的不同要求和變頻器的啟動(dòng)停機(jī)操作進(jìn)行無縫集成，大大提高變頻器應(yīng)用的自動(dòng)化程度。
