高壓變頻器在泵類負載的節能原理及分析

1　前言

　　在冶金、化工、電力、市政供水和采礦等行業廣泛應用的泵類負載，占整個用電設備能耗的40％左右，電費在自來水廠甚至占制水成本的50％。這是因為：一方面，設備在設計時，通常都留有一定的余量；另一方面，由于工況的變化，需要泵機輸出不同的流量。隨著市場經濟的發展和自動化，智能化程度的提高，采用高壓變頻器對泵類負載進行速度控制，不但對改進工藝、提高產品質量有好處，又是節能和設備經濟運行的要求，是可持續發展的必然趨勢。對泵類負載進行調速控制的好處甚多。從應用實例看，大多已取得了較好的效果(有的節能高達30%-40%)，大幅度降低了自來水廠的制水成本，提高了自動化程度，且有利于泵機和管網的降壓運行，減少了滲漏、爆管，可延長設備使用壽命。
2　泵類負載的流量調節方法及原理
　　泵類負載通常以所輸送的液體流量為控制參數，為此，目前常采用閥門控制和轉速控制兩種方法。
2.1閥門控制
　　這種方法是借助改變出口閥門開度的大小來調節流量的。它是一種相沿已久的機械方法。閥門控制的實質是改變管道中流體阻力的大小來改變流量。因為泵的轉速不變，其揚程特性曲線H－Q保持不變，如圖1所示。由于在變頻器的直流環節采用了電感元件而得名，其優點是具有四象限運行能力，能很方便地實現電機的制動功能。缺點是需要對逆變橋進行強迫換流，裝置結構復雜，調整較為困難。另外，由于電網側采用可控硅移相整流，故輸入電流諧波較大，容量大時對電網會有一定的影響。
　　當閥門全開時，管阻特性曲線R1－Q與揚程特性曲線H－Q相交于點A，流量為Qa，泵出口壓頭為Ha。若關小閥門，管阻特性曲線變為R2－Q，它與揚程特性曲線H－Q的交點移到點B，此時流量為Qb，泵出口壓頭升高到Hb。則壓頭的升高量為：ΔHb=Hb-Ha。于是產生了陰線部分所示的能量損失：ΔPb=ΔHb×Qb 。
2.2轉速控制
　　借助改變泵的轉速來調節流量，這是一種先進的電子控制方法。轉速控制的實質是通過改變所輸送液體的能量來改變流量。因為只是轉速變化，閥門的開度不變，如圖2所示，管阻特性曲線R1－Q也就維持不變。額定轉速時的揚程特性曲線Ha－Q與管阻特性曲線相交于點A，流量為Qa，出口揚程為Ha。
　　當轉速降低時，揚程特性曲線變為Hc－Q，它與管阻特性曲線R1－Q的交點將下移到C，流變為為Qc 。此時，假設將流量Qc控制為閥門控制方式下的流量Qb，則泵的出口壓頭將降低到Hc。因此，與閥門控制方式相比壓頭降低了：ΔHc=Ha-Hc。據此可節約能量為：ΔPc=ΔHc×Qb。與閥門控制方式相比，其節約的能量為：P＝ΔPb+ΔPc＝(ΔHb－ΔHc)×Qb。
　　將這兩種方法相比較可見，在流量相同的情況下，轉速控制避免了閥門控制下因壓頭的升高和管阻增大所帶來的能量損失。在流量減小時，轉速控制使壓頭反而大幅度降低，所以它只需要一個比閥門控制小得多的，得以充分利用的功率損耗。
2.3泵機在變速下的效率分析
　　隨著轉速的降低，泵的高效率區段將向左方移動。這說明，轉速控制方式在低速小流量時，仍可使泵機高效率運行。
3　在變頻狀態下供水方式的研究
　　在由多點、多泵站構成的供水系統中，需對泵站出口的壓頭進行控制，以便與管網系統適配，達到更好的系統性能指標，這可以分為恒壓供水、變壓供水和分時段變壓供水。
3.1恒壓供水
　　使泵站出口壓頭維持不變，是該系統控制的目標。在圖4中，給定出口壓頭為Hg。
　　當流量Q變動時，因轉速變化導致揚程特性H1－Q上下移動，泵的工作點將在H＝Hg線上作水平移動（A、B、C、D）。這雖然滿足了流量的要求，但因為管阻特性R變陡，造成了能量浪費。
　　恒壓供水系統實施比較方便，易于和多泵站供水的中、大型管網系統相協調，具有一定的通用性，和實用性，所以目前有些裝備調速泵機的自來水廠樂于采用此法，在恒壓控制方式下，因泵站出口處的壓頭維持不變，使泵并聯特性與負載的實際特性之間有一定的差距，節能效果不如變壓供水系統。
3.2變壓供水方式
　　為了節約能量，應盡量使出口壓頭隨著流量的減小而降低(至少不能升高)，此時可采用泵站出口端“變壓供水”方式，如圖5所示。在圖中，因轉速下降時揚程特性下移，與管阻特性R1－Q相交于點C，流量從Qa減小到Qc（設流量Qc與恒壓控制時的QB相等）。變壓控制形成了較大的壓差 H＝Hac，因而可節約如圖5陰線部分所示的能量。變壓供水因出口壓頭降低，抑制了管阻特性變化所贊成的損耗及水泵的附加損耗，節能效果顯著。
4　總結
　　通過分析，變頻器在泵類負載的調速過程中，是可以供水方式進行優化的，已達到更好的節電效果。