|
在我們的日常生活中，離不開供水系統(tǒng)，但如何提高供水的質(zhì)量，以保證我們供水時(shí)不但能夠有恒定的供水壓力，而且還能節(jié)省大量的電能，延長(zhǎng)水泵的壽命，是擺在我們面前的一大難題。現(xiàn)在日益成熟的變頻調(diào)速技術(shù)，為我們打開了這扇門。
一． 供水系統(tǒng)的主要參數(shù)
（1） 流量Q 是單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道內(nèi)某一截面的水流量。在管道截面不變的情況下，其大小決定于水流的速度。符號(hào)是Q，常用單位是m3/min。
（2） 揚(yáng)程H 是供水系統(tǒng)中把水從一個(gè)位置上揚(yáng)到另一位置時(shí)水位的變化量，數(shù)值上等于對(duì)應(yīng)的水位差。數(shù)值上等于對(duì)應(yīng)的水位差。通常用單位米來(lái)表述。
（3） 實(shí)際揚(yáng)程HB 供水系統(tǒng)中，實(shí)際的最高水位h2與最低水位h1之間的水位差，即供水系統(tǒng)實(shí)際提高的水位，稱為實(shí)際揚(yáng)程。
（4） 管阻R 是閥門和管道系統(tǒng)對(duì)水流的阻力。因?yàn)椴皇浅?shù)，難以簡(jiǎn)單地用公式來(lái)定量地計(jì)算，通常用揚(yáng)程與流量之間的關(guān)系曲線來(lái)描述。
（5） 壓力P 是表明供水系統(tǒng)中某個(gè)位置（某一點(diǎn)）水壓的物理量。其大小在靜態(tài)時(shí)主要取決管路結(jié)構(gòu)和所處的位置，而在動(dòng)態(tài)時(shí)，則還與流量與揚(yáng)程之間的平衡情況有關(guān)。
二． 供水系統(tǒng)的特性和工作點(diǎn)
1.揚(yáng)程特性 以管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表明在某一轉(zhuǎn)速下，全揚(yáng)程與流量間的關(guān)系的曲線H1=f(Q)，稱為揚(yáng)程特性曲線，如曲線1所示。
在供水系統(tǒng)中，水泵是供水的“源”，因此，揚(yáng)程特性可以看成是“水源特性”，或者說(shuō)是“水源”（即水泵）的外特性。意思是說(shuō)，用戶用水越多（流量越大），管道中的摩擦損耗也就越大，供水系統(tǒng)的全揚(yáng)程就越小。
因此，揚(yáng)程特性是反映用戶的用水需求狀況對(duì)全揚(yáng)程的影響的。在這里，流量的大小取決于用戶，因此，用水流量用Q1表示。
2.管阻特性 以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下，全揚(yáng)程與流量間的曲線H1= f(Q),稱為管阻特性曲線，如圖曲線2所示。
管阻特性是表明由管阻（閥門開度）來(lái)控制供水能力的特性曲線。在這里，流量的大小取決于閥門的開度（即管阻的大?。怯晒┧畟?cè)來(lái)決定的，故管阻特性的流量可以為是供水流量，用Q2表示。
當(dāng)供水流量Q2接近于0時(shí)，所需的揚(yáng)程等于實(shí)際揚(yáng)程（H1=H2）。其物理意義是：如果全揚(yáng)程小于實(shí)際揚(yáng)程的話，將不能供水。因此，實(shí)際揚(yáng)程也是能夠供水的基本揚(yáng)程。
3.供水系統(tǒng)的工作點(diǎn) 揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)。在這一點(diǎn)上，供水系統(tǒng)即滿足了揚(yáng)程特性，也符合管阻特性，供水系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)也穩(wěn)定運(yùn)行。
4.供水功率 供水系統(tǒng)向用戶供水時(shí)所消耗的功率P1(KW)稱為供水功率，供水功率與流量和揚(yáng)程的乘積成正比：
P1=CpH1Q
式中Cp---比例常數(shù)。
由圖1可以看出：供水系統(tǒng)的額定功率與面積0ANG成正比。
三．調(diào)節(jié)流量的方法和比較
如上所述，在供水系統(tǒng)中，最根本的控制對(duì)象是流量。因此，要討論節(jié)能問(wèn)題，必須從考察調(diào)節(jié)流量的方法入手。常見的方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。
1. 閥門控制法 即通過(guò)關(guān)小或開大閥門不調(diào)節(jié)流量，而轉(zhuǎn)速則保持不變（通常為額定轉(zhuǎn)速）。閥門控制法的實(shí)質(zhì)是：水泵本身的供水能力不變，而是通過(guò)改變水路中的阻力大小來(lái)強(qiáng)行改變流量，以適應(yīng)用戶對(duì)流量的要求。這時(shí)，管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性則不變。
如圖2所示，設(shè)用戶所需的流量為Qx為額定流量的60%（即Qx=60%Qn）,當(dāng)通過(guò)關(guān)小閥門來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)，管阻特性將改變?yōu)榍€③，而揚(yáng)程特性則仍為曲線①，故供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)移至E點(diǎn)，這時(shí)：流量減小為QE（=Qx）；揚(yáng)程為HE；由式2知，供水功率P1與面積0DEJ成正比。
2. 轉(zhuǎn)速控制法 即通過(guò)改變消耗的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，而閥門開度則保持不變（通常為******開度）。轉(zhuǎn)速控制法的實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，從而適應(yīng)用戶對(duì)流量的需求。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，揚(yáng)程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。
仍以用戶所需流量等于60%為例，當(dāng)通過(guò)降低轉(zhuǎn)速使Qx=60%Qn時(shí)，揚(yáng)程特性為曲線④，管阻特性仍為曲線②，故工作點(diǎn)移至C點(diǎn)。這時(shí)，流量減小為QE(=Qx)，揚(yáng)程減小為Hc，供水功率Pc與面積0DCK成正比。
3. 兩種方法的比較 比較上述兩種調(diào)節(jié)流量的方法可以看出，在所需流量小于額定流量（Qx<100%Qn）的情況下，轉(zhuǎn)速控制的揚(yáng)程比閥門控制時(shí)要小得多，所以轉(zhuǎn)速控制方式所需的供水功率也比閥門控制方式小得多。兩者之差△P便是轉(zhuǎn)速控制方式節(jié)約的供水功率，它與面積KCEJ成正比。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的最基本方面。
4. 從水泵工作效率看節(jié)能
（1）工作效率的定義 水泵的供水功率P1與軸功率P2之比，即為水泵的工作效率η：
η=P1/P2
這里的軸功率P2是指水泵軸上的輸入功率（電動(dòng)機(jī)的輸出功率）。而水泵的供水功率P1是根據(jù)實(shí)際供水的揚(yáng)程和流量算得的功率，是供水系統(tǒng)的輸出功率。
因此，這里所說(shuō)的工作效率，實(shí)際上包含了水泵本身的效率和供水系統(tǒng)的效率。
（2）水泵工作效率近似計(jì)算公式 據(jù)有關(guān)資料介紹，水泵工作效率的相對(duì)值η*的近似計(jì)算公式如下：
η*=C1（Q*/n*）-C2（Q*/n*）2 (4)
式中η*、Q*、n*----效率、流量和轉(zhuǎn)速的相對(duì)值；
C1、C2-----常數(shù)，由制造廠家提供，C1與C2之間，通常遵循如下規(guī)律：C1-C2=1
(3)不同控制方式時(shí)的工作效率 由式4可知，當(dāng)通過(guò)關(guān)小閥門來(lái)減小流量時(shí)，由于轉(zhuǎn)速不變，n*=1,比值Q*/n*= Q*，可見，隨著流量的減小，水泵工作的效率降低十分明顯。
在轉(zhuǎn)速控制方式時(shí)，由于在閥門開度不變的情況下，流量Q*和轉(zhuǎn)速n* 是成正比的，比值Q*/n*不變。就是說(shuō)，采用轉(zhuǎn)速控制方式時(shí)，水泵的工作效率總是處于******狀態(tài)。
所以，轉(zhuǎn)速控制方式與閥門控制方式相比，水泵的工作效率大的多。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第二個(gè)方面。
5.從電動(dòng)機(jī)的效率看節(jié)能
在設(shè)計(jì)供水系統(tǒng)時(shí)，由于：①對(duì)用戶的管路情況無(wú)法預(yù)測(cè)；②管阻特性難以準(zhǔn)確計(jì)算；③必須對(duì)用戶的需求留有足夠的余地。因此，在決定額定揚(yáng)程和額定流量時(shí)，通常裕量較大。所以在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，即使在用水流量的高峰期，電動(dòng)機(jī)也常常處于輕載狀態(tài)，其效率和功率因數(shù)都較低。采用轉(zhuǎn)速控制以后，可將排水閥完全打開而適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速。由于電動(dòng)機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)，變頻器具有能夠根據(jù)負(fù)荷輕重調(diào)整輸入電壓的功能，從而提高了電動(dòng)機(jī)的工作效率。這是變頻器調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第三個(gè)方面。
四．水錘效應(yīng)和水泵的壽命
1. 水錘效應(yīng)
異步電動(dòng)機(jī)在全電壓起動(dòng)時(shí)，從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速所需時(shí)間只有0.25S。這意味著在0.25S的時(shí)間里，水的流量從零猛增到額定流量。由于流體具有動(dòng)量和一定程度的可壓縮性，因此，在極短的時(shí)間內(nèi)流量的巨大的變化將引起對(duì)管道的壓強(qiáng)過(guò)高的沖擊，并產(chǎn)生空化現(xiàn)象。壓力沖擊將使管壁受力而產(chǎn)生噪聲，猶如錘子敲擊管子一樣，故稱為水錘效應(yīng)。
水錘效應(yīng)具有極大的破壞性：壓強(qiáng)過(guò)高，將引起管子的破裂。此外，水錘效應(yīng)也可能損壞閥門和固定件。
2.產(chǎn)生水錘效應(yīng)的原因
產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因是在起動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩太大。在起動(dòng)過(guò)程中，異步電動(dòng)機(jī)和水泵的機(jī)械特性如圖4a所示。圖中，曲線①是異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，曲線②是水泵的機(jī)械特性，陰影部分是動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩T(即兩者之差)。在拖運(yùn)系統(tǒng)中，決定加速過(guò)程的是動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩T：
T=TM-TL
在圖4a中，水泵在直接起動(dòng)過(guò)程中，拖運(yùn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩T的大小如陰影部分所示，是很大的。所以，加速過(guò)程很快。
3.水錘效應(yīng)的消除
采用變頻調(diào)速后，可以通過(guò)對(duì)升速時(shí)間的預(yù)置來(lái)延長(zhǎng)起動(dòng)過(guò)程，使動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減小，如圖4b所示。圖中，曲線簇①是異步電動(dòng)機(jī)在不同頻率下的機(jī)械特性，曲線②是水泵的機(jī)械特性，中間鋸齒狀線是升速過(guò)程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩（即不同頻率時(shí)的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性與水泵機(jī)械特性之差）。
在停機(jī)過(guò)程中，同樣可以通過(guò)對(duì)降速時(shí)間的預(yù)置來(lái)延長(zhǎng)停機(jī)過(guò)程，使動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減小，從而徹底消除了水鍾效應(yīng)。
4.延長(zhǎng)水泵壽命的其他因素
水錘效應(yīng)的消除，無(wú)疑可大大延長(zhǎng)水泵和管道系統(tǒng)的壽命。此外，由于水泵平均轉(zhuǎn)速下降，工作過(guò)程中平均轉(zhuǎn)矩減小的原因，使:
a) 葉片承受的應(yīng)力大為減小。
b) 軸承的磨損也大為減小。
所以，采用了變頻調(diào)速后，水泵的工作壽命將大大延長(zhǎng)。
五．恒壓供水系統(tǒng)
對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根結(jié)底是為了滿足用戶對(duì)流量的需求。所以流量是供水系統(tǒng)最基本的控制對(duì)象。而如上所述，流量的大小取決于揚(yáng)程，但揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測(cè)量和控制?？紤]到在動(dòng)態(tài)情況下，管道中水壓的大小與供水能力（用Q1表示）和需水能力（用Q2表示）之間的平衡情況有關(guān)。
如：供水能力Q1>需水能力Q2,則壓力上升；
如：供水能力Q1<需水能力Q2,則壓力下降；
如：供水能力Q1=需水能力Q2,則壓力不變；
可見，供水能力與用水能力需求之間的矛盾具體地反映在流體壓力的變化上。從而，壓力就成為了用來(lái)作為控制流量大小的參變量。就是說(shuō)，保持供水系統(tǒng)中某處壓力的恒定，也就保證了使該處的供水能力和需水能力處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量，這就是恒壓供水系統(tǒng)所要達(dá)到的目的。
總之，水泵采用變頻調(diào)速后，不但保證了供水壓力的恒定，而且還節(jié)省了大量的電能，延長(zhǎng)了水泵的壽命，對(duì)整個(gè)供水系統(tǒng)的運(yùn)行有很大的好處。
|
|
