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风机水泵压缩机变频调速节能技术讲座(八)/第三讲 水泵变频调速节能效果的计算方法
作 者:国家电力公司热工研究院自动化所 徐甫荣

3.1相似抛物线的求法
水泵与风机不同,由于静扬程的存在,阻力曲线不是相似曲线,因此图2-12中转速变化前后的运行工况点m与m不是相似工况点,故其流量、扬程(或全压)与转速的关系不符合比例定律,不能直接用比例定律求得。但当管路性能曲线的静扬程(或静压)等于零时,即hst=0(或pst=0)时,管路性能曲线是一条通过坐标原点的二次抛物线,它与过m点的变转速时的相拟抛物线重合,因此,m与m又都是相似工况点(比如风机),故可用比例定律直接由m点的参数求出m点的参数。
例2-1:某锅炉给水泵的性能曲线如图2-12所示,其在额定转速下运行时的运行工况点为m,相应的qm =380m3/h。现欲通过变速调节,使新运行工况点m的流量减为190m3/h?,试问其转速应为多少(额定转速为2950r/min)?
解:变速调节时管路性能曲线不变,而泵的运行工况点必在管路性能曲线上,故m点可由qm’ =190m3/h处向上作垂直线与管路性能曲线相交得出,由图可读出m点的扬程hm1=1670m。m/与m不是相似工况点,需在额定转速时的h-q曲线上找出m的相似工况点a,以便求出m的转速。过m/点作相似抛物线,由比例定律得:h=hm’/q2.m’=1670/(190)2·q2=0.046q2。
为了把相似抛物线作到图2-12上,上式(h=0.046q2)中h与q的关系列表如下:
q(m3/h) 0 100 200 220 240
h(m) 0 460 1840 2226 2650
把列表中数值作到图2-12上,此过m'点的相似抛物线与额定转速下h-q特性曲线相交于a点。用同样的方法可以作出过m1、m2点的相似抛物线与额定转速下h-q特性曲线相交于b点和c点。
由图可读出qa=227m3/h,ha=2360m,故得:n’= qm’/qa·n=190/227·2950=2469(r/min)
或n’√(hm’/ha)·n=√(1670/2360)·2950=2481(r/min)。
上述两式得出的结果略有不同是因作图及读数误差引起的。
从计算结果知,此泵装置因管路静扬程hst很高(60%),故当流量减少到原流量的50%时,其转速只降到原转速的2469/2950 =83.7%,而不是50%;其节能率约为1-(0.8373/0.81 /0.96) = 24.6%,而不是1-(50%)3=87.5%!水泵系统管路性能曲线中静扬程(静压)所占比例的大小,与调速装置节能效果的大小相关。当静扬程所占比例很大时,即使泵系统的工作流量变化很大,但调速装置的转速变化范围并不大,结果变速调节的节能效果也不大。这是因为静扬程(静压)不等于零时,管路性能曲线与变转速时的相似抛物线不重合,故变速前后各工作点间的关系并不符合比例定律,即流量比不等于转速比。当静扬程(静压)为正值时,流量比恒大于转速比。
例如dg500-180型锅炉给水泵,其最高转速n=2950r/min,相应q=500m3/h,he=1800m,hc=2500m。若泵系统的静扬程hst=1500m(hst/hc=60%)。则变速调节流量至60%最大流量(300m3/h)时,相应转速为最高转速的89%(2625r/min)。可见这比静扬程为零时流量比为60%时,转速比也为60%时要高多了。因此,管路性能曲线的静扬程越高,则变速调节流量时,其轴功率的减少值也越小。所以说,对于有较大静扬程的水泵,只用工作流量变化范围大小确定节能效益的大小就不正确了,应根据转速变化范围确定节能效益的大小才是正确的。图2-12所示为水泵在不同工作点的变频调速相似抛物线的求法,表2-1为某离心泵在不同静扬程和不同流量时转速、轴功率和节电率的关系。

图2-12 某锅炉给水泵的性能曲线相似抛物线的求法


3.2调速范围的确定
水泵系统由于泵径与管径不同(管径一般要大于泵径),且千差万别,所以阀门开度与流量的关系比较复杂,一般来说没有固定的关系可循。常常可以看到阀门开度才30%左右,而泵和电动机都已经过载的情况,也就是说流量已经超过了额定流量!如湄洲湾电厂的给水泵,当机组满负荷运行时,其阀门开度只有26%。在进行节能计算时,千万不能将阀门开度当作流量来计算。
当水泵采用转速调节时,由于其静扬程一般都不等于零,故其阻力曲线不通过坐标原点,因此不是相似曲线,其流量和扬程与转速的关系要在作出各工况点的相似抛物线后,才能用比例定律计算。所以变速前后的流量比不等于转速比,也就是说流量不再与转速的一次方成正比,而是流量比恒大于转速比。例2-2中图2-13所示为某循环水泵变频调速节能原理图,图中分别画出了当流量分别为额定流量的60%、70%和80%时的相似抛物线,由此可进行调速范围和节能效果的计算。
在确定调速范围时应兼顾流量和扬程的要求,一般这时将阀门开到最大,仅用转速来调节流量,并要留有一定的扬程裕量。所以一定要知道生产工艺所要求的最小扬程(包括静扬程和管路阻力),作为确定最低转速的根据。当然,当最小扬程要求低于最小流量要求时,可以流量要求为准。

图2-13 泵系统在不同静扬程下的轴功率流量特性


3.3节能效果的计算
水泵的调速节能效果计算比较复杂,由于水泵的静扬程一般都不等于零,故其流量、扬程和轴功率与转速的关系要在作出各工况点的相似抛物线,并求出各工况点的转速后,才能用比例定律计算。水泵所消耗的电功率也可用比例定律求得。在进行节能计算时要用流量(百分比额定流量)作为根据(而不是阀门开度);全流量轴功率也不能简单的采用额定轴功率,而应采用实际水泵系统的全流量轴功率进行计算,因为具体选定的泵用在不同的管路系统时其实际参数是不一样的。并要注意在计算节电率时使用的比较电功率应为采用阀门调节时相同流量下水泵实际所消耗的电功率,而不应当是电动机的额定电功率,因为采用阀门调节时,随着流量的减小,电动机的电流(电功率)也是有所减小的。在相同的流量百分比时,不同的静扬程的转速、轴功率和节电率都是不同的,应逐点进行计算。表2-1所列为某离心泵在不同静扬程和不同流量时转速、轴功率和节电率的关系。而图2-13所示则为某离心式水泵在不同静扬程下采用变速调节及出口阀门调节方式时流量比qv/qvn和所消耗的轴功率之比p/pn的关系曲线。
例2-2:某发电机组循环水泵的有关参数如下:
循环泵:64lkxa-20立式斜流泵 额定流量:qe=19726m3/h (5480l/s)
额定扬程:he=20m 额定转速:425rps
电动机:yksl1600-14/1730-1 额定功率;1600kw
额定电压:6000v 额定电流:203.3a
额定转速:425rps 工频运行电流:154a
额定效率: 95% 功率因数:0.85
由于随着机组负荷和气温的变化,为了保证汽轮机的效率,需要保证凝汽器真空度的稳定,随着发电负荷的变化以及昼夜季节气温的变化,为了保证凝汽器真空度的稳定,要求循环水流量大幅度变化,显然用出口阀门来调节循环水的流量是达不到凝汽器真空度稳定的目的的,只有采用变频调速才能实现动态快速调节循环水的流量达到稳定凝汽器真空度的目的。
解:图2-14所示为循环水泵变频调速节能原理图,从图中可以得出:水泵的额定工况点为“a”,循环水泵系统的静扬程 hst=10.3m,(水泵的关死点扬程约为30米,静扬程占30%左右),80%流量工况点为a1,70%流量工况点为a2,60%流量工况点为a3,对应的相似工况点分别为:a1’(18800m3/h,22.5m)、a2’(17600m3/h,23.4m)、a3’(16200 m3/h,25.2m)。相应的转速则分别为:n1=10666/18800=85%n0;n2=14000/17600=79.5%n0;n3=12000/16200=74%n0。消耗的电功率分别为:
p1 =pz×0.853/0.96/0/9=973.8kw;
p2=pz×0.7953/0.96/0.9=796.7kw;
p3=pz×0.743 /0.96/0.9=642.5kw。
这里额定轴功率pz =5480l/s×200kpa/0.8=1370 kw;
电动机工频运行功率pd = 1.732×6000×154×0.85 = 1360 kw。
节电率分别为:25.1%,38.7% 和 50.6%。

表2-1 水泵系统在不同静扬程和不同流量时转速、轴功率和节电率


由于需要的循环水流量随着机组负荷和季节气温的变化而变化,而随着循环水流量的增加,节电率将减少。因此实际的节电效果,要根据机组负荷曲线和昼夜季节气温的变化曲线计算得出。

图2-14 水泵在不同工作点的变频调速相似抛物线

作者简介
徐甫荣(1946-) 男 1970年毕业于西安交通大学电机工程系发电厂电力网及电力系统专业,后在西安电子科技大学攻读硕士研究生。毕业后国家电力公司热工研究院自动化所工作,任总工程师,教授级高工,现为深圳市科陆变频器公司工程技术总监,享受国家特殊津贴的专家。主要从事火电厂热工自动化和交直流电机调速拖动及节能技术的研究工作,在国内外各类学术刊物上发表论文五十余篇,专著“高压变频调速技术应用实践”等两本。

参考文献(略)

(未完待续)

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