1、風機水泵壓縮機變頻調速節能技術講座（六）/第二講 水泵的并聯運行分析（2）作 者：國家電力公司熱工研究院自動化所 徐甫榮2.1 水泵并聯運行的一般情況水泵并聯運行的主要目的是增大所輸送的流量。但流量增加的幅度大小與管路性能曲線的特性及并聯臺數有關。圖2-4所示為兩臺及三臺性能相同的20sh-13型離心泵并聯時，在不同陡度管路性能曲線下流量增加幅度的情況，從圖5可見，當管路性能曲線方程為hc=20+10q2時(q的單位為m3/s)，從圖中查得：一臺泵單獨運行時：q1=730l/s (100%)兩臺泵關聯運行時：q2=1160l/s (159%)三臺泵并聯運行時：q3=1360l/s (186%)

2、但當管路性能曲線方程為hc=20+100q2時(q的單位為m3/s)，從圖2-4可查出：一臺泵單獨運行時：q1=450l/s (100%)二臺泵并聯運行時：q2=520l/s (116%)三臺泵并聯運行時：q3=540l/s (120%)圖2-4 不同陡度管路性能曲線對泵并聯效果的影響比較兩組數據可以看出：管路性能曲線越陡，并聯的臺數越多，流量增加的幅度就越小。因此，并聯運行方式適用于管路性能曲線不十分陡的場合，且并聯的臺數不宜過多。若實際并聯管路性能曲線很陡時，則應采取措施，如增大管徑、減少局部阻力等，使管路性能曲線變得平坦些，以獲得好的并聯效果。一般的供水系統都采用多臺泵并聯運行的方式，并

3、且采用大小泵搭配使用，目的是為了靈活的根據流量決定開泵的臺數，降低供水的能耗。供水高峰時，幾臺大泵同時運行，以保證供水流量；當供水負荷減小時，采用大小泵搭配使用，合理控制流量，晚上或用水低谷時，開一臺小泵維持供水壓力。多臺并聯運行的水泵，一般采用關死點揚程(或最大揚程)相同，而流量不同的水泵。這些泵并聯運行時，每臺泵的出口壓力即為母管壓力，且一定大于每一臺泵單泵運時的出口壓力(或揚程)：(管道系統不變)hn=ha2=hb2=hc2ha1、hb1、hc1并聯運行泵的總出口流量為每臺泵出口流量之和，且每臺泵的流量一定小于該泵單泵運行時的流量：(管道系統不變)qn=qa2qb2qc2qa1qb1qc

4、1若并聯運行的泵的揚程不同，而且流量也不同時，則在并聯運行時揚程低的泵的供水流量會比單泵運行時減小很多。當管網阻力曲線變化時，容易發生不出水和汽蝕現象。母管制運行的水泵群的母管壓力可由下式求出：圖2-5 兩泵并聯及并聯性能曲線(h-qv)并2.2如何作出并聯運行水泵的性能曲線(h-qv)或(p-qv)兩臺或兩臺以上風機(水泵)向同一壓出管路壓送流體的運行方式稱為并聯運行，如圖2-5(a)所示。水泵并聯運行的基本規律是：并聯后的總流量應等于并聯各泵流量之和；并聯后產生的揚程與各泵產生的揚程都相等(母管壓力)。因此，水泵并聯合成后的性能曲線(h-qv)并或(p-qv)并的作法是：把并聯各泵(或風機

5、)的(h-qv)或(p-qv)曲線上同一揚程(或全壓)點上流量值相加，以圖2-5(a)兩臺泵并聯為例，先把這兩臺泵的性能曲線(h-qv)i和(h-qv)a以相同的比例尺繪在同一坐標圖上，然后把各個同一揚程值的流量分別相加，如圖2-5(b)所示，取揚程值為h、h、h、，對應于(h-qv)i和(h-qv)a，上分別為1、1、1和2、2、2取qv1+ qv2、qv1+ qv2、qv1+ qv2得3、3、3連接3、3、3各點即得合成后泵并聯性能曲線(h-q)并，同法可得風機并聯性能曲線。2.3當并聯水泵中的一臺進行變速調節時，如何確定并聯運行工況點如圖2-6 所示，i、ii兩臺性能相同的泵并聯運行。但

6、泵i與泵ii有一臺為變速泵，另一臺為定速泵。當變速泵與定速泵以相同的額定轉速運行時，i和ii的并聯性能曲線(h-q)并為iii，并聯運行工況點為m。但當變速泵的轉速降低時，并聯性能曲線變為如圖2-6中的虛線所示，其并聯運行工況點也相應地變為m、m、從圖2-6 可以看出，當變速泵的轉速降低時，變速泵的流量減小，但定速泵的流量卻增大。當變速泵的轉速降低到某一轉速值時，其輸出流量為零，這時并聯運行實際上相當于一臺定速泵單獨運行。若變速泵轉速進一步降低，且變速泵出口管路又未設置逆止閥時，就會出現定速泵部分流量向變速泵倒灌，這種現象在實際上是不容許產生的。從圖2-6可見，當變速泵的轉速由額定轉速降低到該

7、泵輸出流量為零的轉速時，定速泵的流量將由qn增大到qb，而揚程將由hn減小到hb，這可能會導致定速泵產生過載或泵內汽蝕。為防止定速泵的過載和汽蝕，可在定速泵出口管路設置調節閥，必要時控制其流量。如圖2-6所示，當靜揚程約為額定揚程的20%左右時，qb約為額定流量的70%，hb約為額定揚程的60%，工頻泵超載約20%；此時變頻泵的轉速約為額定轉速的78%(頻率為39hz)左右，則其中心調節轉速(50%流量)約為額定轉速的86%(頻率為43hz)，節電率大約為25%左右。圖2-6 兩泵并聯其中一臺轉速降低時并聯運行工況點的變化變速泵在b點運行，雖然已經不出水了，但是還要消耗空載功率，很不經濟；此時

8、的轉速nb只是最低轉速，不能在節能計算時作為調節轉速使用，而應以不同流量時的轉速為依據，或者以中心調節頻率(50%流量時的轉速)為依據，注意：由于水泵系統靜揚程的存在，中心調節頻率(轉速)不是最低轉速與額定轉速的平均值，而應取50%流量時的頻率(轉速)。如圖2-7所示，當靜揚程約為額定揚程的20%左右時，qb約為額定流量的70%，hb約為額定揚程的60%，；此時變頻泵的最低轉速約為額定轉速的78%(頻率為39hz)左右，而其中心調節轉速(50%流量)約為額定轉速的86%(頻率為43hz)。圖2-7 多泵并聯其中一臺轉速降低時并聯運行工況點的變化當定速泵的數量增加，b點的揚程hb將升高，最低轉速

9、nb也將升高，變速泵的調速范圍變小，調節效果及節能效果變差。一般定速泵與變速泵的比例達到3：1時，采用變速泵已無多大意義了，而此時往往還有一臺泵是采用起/停調節的，此時采用變速泵就更無什么意義了！見圖2-7。圖2-8 變頻泵與工頻泵并聯運行特性曲線如圖2-7所示，當靜揚程約為額定揚程的20%左右時，qm約為額定流量的85%，hm約為額定揚程的80%，工頻泵超載約20%；此時變頻泵的轉速約為額定轉速的89%(頻率為44.5hz)左右，則其中心調節轉速約為額定轉速的93.6%(頻率為46.8hz)，節電率大約為10%左右，也就是所需消耗的電功率為采用閥門調節時的90%。若第三臺泵是采用起/停調節，

10、起/停比為3/2的話，則反而費電30%！所以在有三臺以上泵并聯運行時，只改一臺變頻泵是沒有什么意義的！圖2-9 變頻泵在50hz時與工頻泵并聯運行特性曲線2.4靜揚程(或靜壓)對調速范圍的影響供水系統的靜揚程hst，即供水母管的最小壓力，(水泵在靜揚程下消耗的功率稱為空載功率：在流量為零時，水泵所消耗的最大功率)。十分明顯的是，靜揚程越高，空載功率所占的比例越大，調速范圍越小，調節轉速的節能效果就越差。靜揚程可由水泵進水口和出水口的落差形成，也可由管網阻力曲線形成，也可由用戶要求的供水壓力來決定。(如鍋爐給水泵，必須大于汽包壓力才能進水。)當然也可由變/定水泵并列運行的定速水泵的出口壓力造成！

11、2.5變頻泵與工頻泵的并聯運行分析2.5.1變頻泵與工頻泵并聯運行時總的性能曲線，與關死點揚程(最大揚程)不同，流量也不同的水泵并聯運行時的情況非常類似，可以用相同的方法來分析(見圖2-8,2-9)(1)f1為工頻泵的性能曲線，也是變頻泵在50hz下滿負荷運行時的性能曲線(假定變頻泵與工頻泵性能相同)，工頻泵單泵運行時的工作點a1。(2)f2為變頻泵在頻率f2時的性能曲線，變頻泵在頻率f2單獨運行時的工作點b1。(3)f3為變頻和工頻水泵并聯運行的總的性能曲線，工作點c，揚程hc，流量qc=qa2qb2。圖2-10 變頻泵在最低頻率下(f=fmin)與工頻泵并聯運行特性曲線2.5.2 變頻泵與

12、工頻泵并聯運行時的特點(1)f2不僅僅是一條曲線，而是f1性能曲線下方偏左的一系列曲線族。f3也不僅僅是一條曲線，而是在f1性能曲線右方偏上的一系列曲線族。(2)f2變化時，f3也隨著變化。工作點c也跟著變化。因此變頻泵的揚程hb2，流量qb2，工頻泵揚程ha2，流量qa2，以及總的揚程hc= hb2= ha2，和總流量qc=qa2qb2都會隨著頻率f2的變化而變化。(3)隨著變頻泵頻率f2的降低，變頻泵的揚程逐漸降低。變頻泵流量qb2快速減少；工作點c的揚程也隨著降低，使總的流量qc減少；因此工頻泵的揚程也降低，使工頻泵流量qa2反而略有增加，此時要警惕工頻泵過載。2.5.3變頻泵與工頻泵并

13、聯運行特例之一，頻率f= f1=50hz (1)f1為工頻泵的性能曲線，也是變頻泵f2= f1=50hz下滿負荷運行時的性能曲線(假定變頻泵與工頻泵性能相同)，工頻泵和變頻泵單泵運行時的工作點a1。(2)f3為變頻泵和工頻泵并聯運行的總的性能曲線，工作點c，揚程hc= hb2= ha2等于每臺泵的揚程，每臺泵的流量qa2=qb2，總流量qc=qa2qb2=2qa2。即當f2= f1=50hz時，變頻泵與工頻泵并聯運行時的特性，與兩臺性能相同的泵并聯運行時完全一樣。2.5.4變頻泵與工頻泵并聯運行特例之二，f2=fmin 在圖2-10中：(1)f1為工頻泵的性能曲線，工頻泵單泵運行時的工作點a1

14、。(2)f2=fmin為變頻泵最低頻率下單泵運行時的性能曲線。(3)f3為變頻和工頻泵并聯運行的總的性能曲線，工作點c不與f3相交，只與f1相交，揚程hc=ha1= ha2= hb2等于每臺泵的揚程，工頻泵的流量qa2=qa1，總流量qc=qa2=qa1，qb2=0。圖2-11 沒有管網阻力時變頻泵與工頻泵并聯運行特性曲線即當f2=fmin時，變頻泵的揚程不能超過工頻泵的揚程，因此變頻泵的流量為零。變頻泵與工頻泵并聯運行時總的性能曲線，與單臺工頻泵運行時的性能曲線相同，變頻泵雖然沒有流量輸出，但仍然要消耗一定的功率。(4)在此運行狀況中，變頻泵的效率降到最低，因此變頻泵最好不要工作在這種工況中

15、。(5)在這種特例中，變頻泵極易產生汽蝕現象，易造成泵的損壞，解決的辦法是將再循環閥打開，使泵保持一定的最小流量，但這樣做會使泵的能耗增加。水泵變頻不論是單泵運行還是并聯運行都有一個極端理想的特例，就是只有靜揚程，沒有管網阻力，或者管網阻力與凈揚程相比可以忽略，則管網阻力曲線可以看成是一條與凈揚程點平行的一條直線。水泵將水通過粗管道垂直向上打入一個開口的蓄水池就是屬于這種情況。電廠鍋爐給水泵系統中，由于給水壓力極高，管網阻力相對較小，因此采用變頻運行時也可以看成屬于這種情況。(見圖2-11)f1為變頻器最高運行頻率性能曲線。工作點a， f2和f3為變頻運行性能曲線。h0為靜揚程，也是實際工作揚

16、程。圖2-11中不論怎樣調節頻率，揚程都恒定不變，只是流量變化。水泵的輸出功率只隨流量的變化而變化。從圖2-11中可以看出，隨著頻率的減少，微小的頻率變化f會引起很能大的流量變化q。性能曲線越平坦，f引起的q就越大。因此頻率越低，流量越小時這種變化就越大。所以說頻率與流量之間的關系為qa/(f1fmin)。是一種非線性的很難說是幾次方的關系。由于功率與流量成正比。功率與頻率的關系為h0·qa/(f1fmin)，也很難說與頻率是幾次方的關系。在這種情況下進行變頻運行時，流量不宜太小，以防止微小的頻率或轉速的變化引起流量較大的變化，造成水泵流量不穩定(水擊)而損壞水管。fmin越高，f1

17、fmin(調速范圍)就越小，流量和功率隨著頻率的變化就越大。2.6高性能離心水泵群的變頻控制方案2.6.1恒壓供水的控制特點供水控制，歸根結底，是為了滿足用戶對流量的需求。所以，流量是供水系統的基本控制對象，但流量的檢測比較困難，費用也較高。考慮到在動態供水情況下，供水管道中水的壓力p的大小與供水能力和用水需求之間的平衡情況有關：當供水能力大于用水量時，管道壓力上升；當供水能力小于用水量時，則管道壓力下降；當供水能力等于用水量時，則管道壓力保持不變。可見，供水能力與用水需求之間的矛盾具體地反映在供水壓力的變化上。從而壓力就成了用來作為控制流量大小的參變量，也就是說，保持供水系統中某處壓力的恒定

18、，也就保證了使供水能力和用水需求處于平衡狀態，恰到好處地滿足了用戶的用水要求，這就是恒壓供水所要達到的目的。目前一般的供水系統，也都采用了多泵并列運行，大小泵搭配，以及采用泵的臺數調節等經濟運行方式，其運行的經濟性也很好；在此基礎上進行變頻調速節能改造，其節能潛力已不是很大了，對于這一點應當有一個清醒的認識，不要過分夸大變頻調速的節能效果，否則將適得其反！2.6.2高性能離心泵的變頻控制方案。高性能離心式水泵由于采用了三元流動，進口導葉等先進技術，離心式水泵的特性曲線已經做得非常平坦，高效率的工作區域很寬，這也正是水泵生產廠家努力追求的目標。但是這樣的水泵在定壓供水工況下，其調速的范圍很小。供

19、水系統的靜揚程越大，也就是空載功率所占的比例越大，水泵特性越平坦，調速范圍就越小，調節轉速的節能效果也就越差。對于定壓供水系統的高效離心水泵群如果采用“一變多定”配置的控制方案，則會引起一些問題。圖2-11是定壓供水系統中變頻水泵的調速特性曲線圖，從圖中容量看出，在定壓供水系統中，變頻水泵新的工況點也就是變頻泵特性曲線和等壓線的交點。因水泵的特性曲線非常平坦，變頻器的調速范圍非常小。且因為供水壓力小的波動(這在供水系統中是很常見的)。新的工況點會發生劇烈變動，工況點極不穩定，雖然在控制程序中可以采用軟件濾波的方法改善不穩定的情況，但變、定速水泵配置方案運行匹配較為困難，且節能效果有限卻是肯定的，這也是和采用變頻節能控制的初衷相違背的。因此對于實際工程中的高性能離心泵機群，所有的運行泵都采用變頻調速控制才是最合理的。如果出于經濟原因的考慮，調速泵的臺數應是最常開泵的臺數，其它泵則采用工頻備用。如果還要減少調速泵的臺數的話，則一定要使揚程最高、流量最大的泵調速運行。2.6.3變、定水泵并列運行在實際工程中，考慮到投資的可能性和運行工況的必要性，也常設計變、定水泵的并列運行方