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供水系統中調速水泵有關問題的探討
時間：2012/8/2 來源：浙江揚子江泵業有限公司
1、前言
水泵調速技術已經存在多年，早期主要是一些低壓水泵采用低壓變頻器進行調速，因為成本不高，所以采用比較普遍。而對于高壓水泵的調速，早期還大多是采用液力偶合器、串級調速等傳統方法來實現。隨著高壓大功率變頻器的出現，目前采用高壓變頻器對高壓水泵進行調速逐漸成為一種趨勢。由于高壓變頻器目前成本相對較高，許多供水行業的人士出于投資回收考慮，對水泵調速這項技術本身及其可以取得的效益都比較關心，經常有如下一些疑惑：
a供水系統一般多臺水泵并聯運行，設計原則是同壓頭水泵并聯，同流量水泵串聯。而調速泵速度降低后，按一般常理認為，其輸出水壓將降低，那么調速泵如何再與其他工頻泵并聯，是否有內耗存在？
b常說水泵流量和轉速成正比，壓力和轉速平方成正比，其功率則和轉速立方成正比，也就是說水泵的功耗是按流量的立方關系變化的，假設水泵流量調到一半時，水泵的軸功率只有滿流量時的12.5%，省電應達到87.5%，可為什么實際系統的節能效果遠不是這樣？到底怎樣預估一個水泵調速系統的節能潛力？
c調速水泵和工頻水泵并聯運行時，調速水泵能否無限制往下調速？調速泵是不是轉速到0時流量才為0？并聯工頻水泵會不會過流？調速泵會不會水流倒慣？調速時應注意什么問題？
d水泵調速方法有哪些？究竟什么方式比較可取？對水泵進行調速改造，除了節能，到底還能有什么其他效益？
本文將從水泵的工作特性出發，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，工作特性如圖（1）所示。曲線①為水泵按轉速N1定速工作時的Q-H曲線，曲線②③為管路特性曲線。
在第一種負載工況下，水泵工作在A點，流量為Q1，壓力為H1。當流量減為Q2時，水壓將上升到H2，水泵工作在B點。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的安全。
從水泵定速工作特性曲線看出，盡管水泵工作轉速不變，但只要管網特性發生變化（曲線②變為曲線③），那么水泵的工作點是發生變化的，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速的單值函數。
在自來水行業，流量的減少是因為夜間用戶關閥，管網特性曲線發生了變化，曲線②變為曲線③，流量由Q1降為Q2。為了防止管網水壓的上升威脅到管網安全，可以調節水泵出口閥門或者改開小泵。
在一些化工生產、制冷等行業，流量的減少是因為生產工藝的需要，這時可以調節水泵輸出閥門，人為改變管網特性，使水泵工作點由A點變到B點，從而達到主動調節流量的目的。
圖（2）
圖（2）示出了水泵調速運行時，水泵工作特性的變化情況，曲線①②③分別為水泵按N1 、N3和N2三種速度運行時的特性曲線，曲線④⑤為管網特性曲線。如果管網特性不變，保持為曲線④，水泵由N1轉速調節到N2速運行時，水泵的工作點將由A點變到B點，流量和水壓分別變到Q2和H2，它們都隨著轉速的下降而下降。負載特性不變時，水泵的流量Q、水壓H、軸功率P和轉速N之間滿足如下關系：
Q∝N，H∝N2,P∝N3。
但如果是外界因素導致管網特性發生變化（由曲線④變為曲線⑤），使得流量減少為Q2，但又要維持水壓不變，這時水泵可以將速度調節到N3運行，從工作曲線中可以看出，水泵的轉速和輸出流量下降，但水泵的輸出壓力卻保持不變，這就是為什么流量變化時，可以通過調節水泵轉速實現恒壓供水的理論依據。這種情況下，由于管網特性的改變，水泵的流量Q、水壓H、軸功率P和轉速N之間不再滿足Q∝N、H∝N2、P∝N3的關系，并不是轉速下降其水壓就下降，水泵速度下降且其分擔的流量下降后，只要其輸出水壓不變，就可以和其他高速水泵并聯運行。
3、水泵調速運行的軸功率
3．1管路特性不變
管路特性不變時，水壓隨流量的變化而變化，調速時只對流量作要求，對水壓不作要求，這時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，將水泵速度由N1下調為N2,則水泵工作點由A點變為B點，流量由Q1變為Q2，壓力由H1變為H2，水泵在A、B兩個工作點的輸出功率PA和PB分別為: PA=H1×Q1, PB=H2×Q2
從上式看出，如果轉速降為50%，則水泵輸出功率下降為12.5％；如果在A、B兩點水泵的效率差別不大，則水泵的輸入功率也大大下降。
3．2調速時要求水壓恒定
圖（4）
在圖（4）這種工況下，水泵速度由N1調到N2,工作點由A點變到B點，流量由Q1變到Q2，水壓保持不變，H1＝H2。水泵在A、B兩點的輸出功率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速成正比，因為管路特性已變化，Q1不正比于N1，Q2不正比于N2。）這種工況下類似自來水行業。用戶用水量由Q1下降為Q2（用水量下降是用戶關閥引起的管路特性發生變化，由特性曲線（1）變為曲線（2）仍需水壓保持恒定。
4、水泵調速運行的節能效益
4．1管路特性不變
圖（5）
外部管路特性不變。如果通過水泵調速方式改變流量，按工作點由A點降到B點；如果水泵定速運行，通過閥門改變流量，則水泵從A點變為C點。水泵在B、C兩工作點的輸出功率和輸出功率差分別為：PC=H3×Q2, PB =H2×Q2；
假設水泵在B、C兩點效率差別不大，都約為η，則調速方式相對于關閥方式，節能效益 ΔP＝(H3－H2) Q2 η 。
4．2管路特性變化而調速時要求水壓恒定
圖（6）
流量由Q1變為Q2時，如果水泵定速運行，工作點將由A變為C點；如果通過調速方式，水泵工作點將由A變為B點。水泵在B、C兩點的輸出功率差為： PC－PB＝（H3－H2）×Q2。假設水泵在B、C兩個工作點的效率差別不大，都為η，則水泵輸入功率差
ΔP＝(H3－H2) Q2 η 。
5、水泵調速運行節能效益計算實例
水泵調速節能效益與水泵的特性、運行方式、電費水平等多種因素有關，由于這些因素在不同場合下千差萬別，計算節能效益時對工況作如下假設：
水泵功率為1000KW，年運行時間8000小時，其中1600小時（即20%時間）為100%流量，4000小時（即50%時間）為70%流量，2400小時（即30%時間）為50%流量，調速裝置效率為96%，假設水泵流量Q和壓力H在采用閥門調節流量時近似滿足如下關系：H=A-(A-1)Q2，其中A為水泵出口封閉時的出口壓力，假設為140%，假設電費為1元/度。
5．1采用閥門調節時電耗計算
采用閥門調節流量時，功耗等于流量Q和壓力H的乘積。各種流量的功耗計算如下：
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
電費計算如下：1000×1600+842.8×4000+650×2400=6531200度，一年電費約653萬元。
5．2采用調速且要求水壓恒定時電耗計算
采用調速水泵調節流量時，如果需要壓力恒定，則功耗仍然按流量Q和壓力H的乘積計算。各種流量的功耗計算如下（其中0.96為調速裝置效率）：
P100%=1000/0.96=1041KW
P70%=1000×0.7×1/0.96=729KW
P50%=1000×0.5×1/0.96=521KW
電費計算如下：1041×1600+729×4000+521×2400=5830000度，一年耗電費約583萬元。
流量變化時，如果要求壓力不變，相對于用閥門調節流量，采用變頻器調節流量后，一年可以節省電費約653-583=90萬元，節電量約為13.8%。
5．3采用調速且管路特性不變時的電耗計算
采用調速水泵調節流量時，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
電費計算如下：1000×1600+357.3×4000+130.2×2400=3341680度，一年耗電費約334.1萬元。
流量變化時，如果外部管阻特性不變（即流量小時，壓力也小，調速時對壓力不作要求），相對于用閥門調節流量，采用變頻器調節流量后，一年可以節省電費約653-334=319萬元，節電量達到48.8%。
從計算中可以看出，如果水泵依據流量需求而調速，對水壓不作要求的工況，其節能效果大大好于要求水壓恒定的工況。仿照以上計算方法，用戶可以根據自己實際的水泵容量、供水工況及電費水平，直接預估出調速后的節能效益。
6、調速泵和工頻水泵的并聯運行
6．1多泵并聯時，調速泵實現流量調節的圖示
水泵不管全速運行或調速運行，總滿足以下的特性關系：
圖（7）
圖（7）中繪出水泵分別以不同速度 (n1>n2>n3>n4)運行的H_Q特性曲線，縱坐標H表示水泵出口水壓，橫坐標Q代表水泵流量。從H_Q曲線看出：
a水泵定速運行時，如果其流量減小，水泵出口水壓將增大。如A、B兩點，水泵以恒定速度n1運行，當該泵流量由 Q2下降到Q1時，該水泵出口水壓將由H2上升到H1。
b如果水泵的流量相同，水泵高速運行時的出口水壓高于低速運行時出口水壓。如A、D兩點。
c水泵降速運行時，如果其流量比高速運行時減小，則可以和高速運行時有相同的出口水壓值。如B、C兩點。
兩臺一樣的水泵，分別以不同速度運行，如果各自流量不同，仍可以有相同的出口水壓值，可以直接并聯運行。
假如當前管網總流量為Q2+Q3，管網水壓為H2，由兩臺水泵并聯供水(多臺并聯時很容易類推)。定速泵以n1速度運行，達到出口壓力H2時提供的流量為Q2，運行于B點。調速泵以n2速度運行，達到出口壓力H2時提供的流量為Q3，系統達到平衡。
如果由于工況變化，管網總流量變為Q2+Q4，仍要保持管網水壓為H2，由兩臺水泵并聯供水(多臺并聯時很容易類推)。定速泵還以n1速度運行，達到出口壓力H2時提供的流量為Q2，運行于B點。而調速泵降速到n3速度運行，達到出口壓力H2時提供的流量為Q4，運行于E點。系統達到新的平衡。
在以上兩種工況中，兩臺水泵的出口壓力也完全一致，直接并聯運行，不會有所謂的內耗存在。
6．2全速泵和調速泵直接并聯運行需要注意的幾個問題
a全速泵和調速泵的配置方案
從前面的分析很容易知道，需要多臺水泵并聯供水時，如果調速泵的容量能夠滿足大的峰谷調節能力，則只要配置一臺調速泵即可，多臺水泵同時調速不僅浪費投資，理論上也是沒有必要的。當然，如果單臺調速泵的容量無法滿足大的峰谷調節需要，配置多臺調速水泵，在流量大幅度變化時，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。
b調速水泵的低允許轉速
從以上的特性曲線看出，如果管網總流量為Q2，管網水壓為H2，定速泵將仍然以n1速度運行，達到出口壓力H2時提供的流量為Q2，運行于B點，單臺水泵就已經滿足供水要求。這時調速泵降速到n4速度運行，達到出口壓力H2時提供的流量為0。
如果管網總流量進一步下降，而仍然要保持管網水壓為H2，調速泵轉速將降到n4以下，這時調速水泵雖然正轉，但開始出現水倒流現象（假設沒有配置止回閥）。定速泵多出的供水能力將被調速水泵所消耗，真正出現能量浪費現象。
在用變頻器作調速水泵的驅動時，應將變頻器的低頻率限制在n4轉速之上。變頻器作恒壓運行過程中，如果達到這個低頻率點，應該切除一臺工頻泵，由調速泵提速后繼續運行（假設調速泵和工頻定速泵容量相同），滿足供水要求。
a調速水泵和定速水泵的流量分配問題
調速泵和定速泵并聯運行時，如果總管壓力不變并且設定在正常范圍，原來水泵選型也比較合理，調速水泵速度在正常調速范圍，那么調速水泵和定速水泵的閥門都可以全部打開，以取得大的節能效果。但如果工藝上需要一個比正常值低的水壓，或者定速泵的額定揚程遠高于實際的管網水壓值，則調速過程中可能需要適當關閉工頻水泵的出口閥門，以防工頻水泵過流。
b調速水泵的機械震動問題
傳統的水泵都是按工頻全速運轉設計的，一般只在高轉速下長期運行，僅在啟動過程中短時經歷其他轉速點，所以難保在除工頻之外的其他頻率點上不存在機械共振現象。將傳統的水泵用調速裝置驅動調速運行后，除工頻點之外，水泵也可能在調速區域的所有頻點上穩定運行，所以需要在整個調速區域對水泵機組作機械共振測定。如果存在機械共振頻點，應該輸入變頻器，防止變頻器在這些特殊的頻率點上長期運行。
c流量變化時水泵的切除和投入對水壓的影響
多臺水泵并聯運行時，出現調速水泵流量為0時，應逐步關閉一臺定速水泵的出口閥門，調速水泵將自動升速接管原定速水泵的供水份額（假設調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閉后，將定速水泵切除。定速水泵出口閥門的逐步關閉和終切除，由電氣線路控制自動實現。如果調速水泵流量為0時，不經過閥門的逐漸關閉過程就突然切除定速水泵，將導致水壓的波動。
多臺水泵并聯運行時，出現調速水泵達到大轉速時，應立即增開一臺定速水泵，逐步開啟該定速水泵的出口閥門，調速水泵將自動降速出讓供水份額。定速水泵的啟動和出口閥門的逐步打開，由電氣線路控制自動實現。
a水泵佳效率運行點
水泵在設計時，有一個效率佳的運行點。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行，但達不到佳效率。供水系統設計時，應按實際壓力和流量處于水泵效率佳的運行點來選擇和配置水泵。
調速運行后，水泵工作點變化范圍較大，在一定水壓和流量區間下工頻運行具有佳效率的水泵，在其他轉速運行時效率不一定達到佳值（但比調節閥門引起的效率下降要小得多）。水泵的生產設計廠家有必要對水泵在各種速度下都得到佳運行效率的課題加以研究，生產一種在調速范圍內的各種速度下都有較高的運行效率、并且不會發生機械共振的水泵專作調速水泵使用。
b恒壓供水和供水量的關系
作為供水企業，總希望單位時間內供出的水量越多越好，但這和用調速泵實現恒壓供水并不矛盾。實際上，水流量的多少主要還是取決于用戶用水量的大小，并不能由供水企業主觀愿望而定。當然，適當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，有時還威脅管網安全，所以恒壓供水現在還是調速水泵在很多自來水行業的運行方式。
7、水泵常見的各種調速方式
對高壓大功率的水泵，常見的調速方式有液力偶合器調速、串級調速、內反饋調速、變頻調速等多種方式。
7．1液力偶合器
液力偶合器調速應用較早，成本較低。但該技術屬于滑差功率消耗型調速技術，轉速越低，效率越低。它屬于一種機械傳輸裝置，必須插入在電機和水泵之間進行安裝，對于水泵調速改造項目也不太適用，同時正因為它是電機和水泵的連接紐帶，一旦它發生故障，水泵將無法運行。另外它不能解決電機的啟動問題，電機仍然需要直接啟動，啟動沖擊較大。液力偶合器本身維護工作量也很大，需要經常停機檢修，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，已經很少有人采用，這種技術目前正被逐漸淘汰之中。
7．2串級調速
串極調速是將轉子滑差能量整流后再逆變回電網的一種調速方法，屬于滑差能量回饋型調速技術，比液力偶合器調速在技術上占優。由于控制對象是電機轉子，使用目前耐壓水平的開關器件就可以方便實現對高壓電機的控制。如果調速范圍要求不高時，串極調速裝置容量較小，成本也較低。但串極調速只適用于繞線式異步電機，鼠籠電機無法使用，而繞線式異步電機的滑環需要經常停機維護。串極調速裝置本身是低壓大電流設備，效率和可靠性都不是很高，對電網會產生一定的諧波污染。同液力偶合器技術一樣，串極調速也沒有解決電機的啟動問題，需要配置一套專門的啟動裝置。
7．3內反饋調速
內反饋調速技術實際上也是串極調速的一種，是將轉子滑差能量整流后，再逆變送入電機的另一套定子繞組。內反饋調速和一般串極調速技術相比，省掉了一臺逆變變壓器，但電機定子多了一套繞組，需要采用特殊制造的電機。同串級調速技術一樣，內反饋調速裝置控制的是轉差功率，如果水泵對調速范圍要求不高，裝置容量可以設計得比較小，可以有效降低設備體積和成本。內反饋調速的低轉速一般只能到60%，在高速段會產生5%的速度損失。由于設備本身的低電壓大電流特性，限制了它可實現調速的電機容量的范圍（對于1000KW/6KV電機，如果低調到60%的速度，調速裝置電流就達到800A），設備本身會對電網產生較大的諧波污染和功率因數滯后，需要采取諧波抑制和功率因數補償措施。內反饋調速技術同樣沒有解決電機的啟動問題，需要專門的啟動設備。
7．4變頻調速
變頻調速技術和串級調速不同，它通過改變電機定子的供電頻率，實現對電機的速度控制，所以它適用于鼠籠型異步電動機，克服了繞線式異步機需要經常維護滑環的弊端。除了變頻器本身設備成本較高外，它的優越性是顯著的：
a適用于籠型異步機，也適用于繞線式異步機（只需將轉子繞組短接）。
b裝置電流小，可實現大容量異步電機的調速需要。
c由于直接控制電機定子供電頻率，可實現真正的軟啟動，不需要專門的啟動設備，減少啟動沖擊。
d變頻器可以高精度(0.2‰)、高效率(>96%)、寬范圍(0%~100%)地實現對電機的調速控制。
e屬于高新技術產品，易于和自動化系統聯機，提高生產自動化水平。
f基本免維護，幾乎沒有使用成本。
g易于直接構成閉環控制系統，實現水壓、流量、水位等的自動控制。
當然變頻調速技術本身目前也有多種，如高-低方式變頻器調速（即用變壓器將電網高壓降為低壓，然后接低壓變頻器，控制低壓電機）、高-低-高方式變頻器調速（即用變壓器將電網的高壓降為低壓，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），直接高-高方式變頻器調速（變頻器輸入側直接接高壓電網，輸出側直接連接高壓電機）等。單就水泵調速而言，由單元串聯組成的高-高方式變頻器在技術性能上占有一定優勢。
8、HRSVERT-A變頻器在水泵調速上的應用
HARSVERT-A變頻器是一種單元串聯多電平高壓變頻器產品。分3KV、6KV、10KV三大系列，容量從250KVA-5000KVA，覆蓋的電機功率等級范圍為200KW-4000KW。HARSVERT-A變頻器目前已廣泛應用在市政供水、冶金、電力、石化等國民經濟的各個領域。
8．1變頻器主要特點
a變頻器為高－高結構，輸入側直接連接用戶高壓開關，輸出側直接連接水泵電機，不需輸出升壓變壓器。
b30、42或48脈沖輸入，電網側電流諧波小于4%，功率因數大于0.95(20~100%負載時)，不需要功率因數補償和諧波抑制裝置。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機。
c變頻器有共振點頻率跳躍功能，可有效避免風機喘振現象。
d變頻器對電網電壓波動有極強的適應能力，在±10%范圍內變頻器能滿載工作，電網波動-35%時20秒內不停機，對42或48脈沖變頻器，主電源完全失電3秒內也不會停機。
e變頻器效率為96％（含變壓器）；
f本機操作和遠程監控均采用全中文界面，參數設定、故障查詢、功能設定、啟動停機操作等全部為中文，適合于中國一般值班運行人員水平。
g具有故障自診斷功能，能對所發生的故障類型及故障位置提供中文指示，功率電路模塊化設計，維護水平要求低。
h具有就地監控方式和遠方監控方式。
i調速范圍：0-100%連續可調，調頻精度為0.01Hz，加/減速時間0.1-3200 秒
j可自動做運行記錄，可打印輸出運行報表。
k自備UPS，控制電源掉電報警但不會停機，可維持20分鐘。
8．2變頻器針對供水的專用功能
由于HARSVERT-A變頻器直接內置PLC，易于改變控制邏輯關系，可以適應多變的現場需要。在供水使用時，HARSVERT-A變頻器直接設置了閉環運行、自動調度、閥門聯動等專項功能。
閉環運行功能：
變頻器采集現場的水壓、水位、流量等數據（4~20mA信號），根據其設定值和實際值的變化情況，自動調節變頻器輸出頻率，控制水泵轉速，實現恒壓供水、恒流量供水、或恒水位控制。
自動調度功能：
用戶可根據一天內運行工況的需求情況，將變頻器的運行方式及給定值按對應的時間段一次性填入變頻器的自動調度表，在一天之內變頻器將按照調度表自動運行，不再需要運行人員隨時調整，實現真正無人值守。
閥門聯動控制功能：
a水泵啟動后，當泵口水壓達到規定值時，變頻器自動開啟閥門；
b在規定時間內，如果閥門無法開啟到位，變頻器提供報警信息；
c需要停機時，變頻器自動先關閉閥門，閥門全關后，變頻器自動減速停機；
d在規定時間內，如果閥門無法關閉到位，變頻器提供報警信息，同時繼續運行保障供水安全；
e變頻器故障時，變頻器將首先自動關閉閥門；
f閥門聯動功能可以由用戶選擇有效或無效，同時不影響原有的開閥和關閥控制功能。
9、結語
綜合本文所述，在供水系統中，調速水泵和定速水泵并聯運行時，由于分擔的流量不同，盡管速度不同，但水壓相同，不過變頻水泵有低速限制要求。如果水泵是根據流量變化來調節速度，在對水壓有要求時（壓力不變而流量變化，實際相當于管阻特性變化），不能簡單按照功耗正比于流量的立方這種關系去計算節能效益，因為這種場合下（即管阻變化）這種關系并不成立。在水泵的諸多調速方法中，變頻調速是一種效果佳的方式，其中尤以單元串聯多電平變頻器為優，它不僅效率高、功率因數高、而且波形好，對電網不產生諧波污染。HARSVERT-A變頻器還內置PLC，可以將不同用戶的不同要求和變頻器的啟動停機操作進行無縫集成，大大提高變頻器應用的自動化程度。
水泵調速技術已經存在多年，早期主要是一些低壓水泵采用低壓變頻器進行調速，因為成本不高，所以采用比較普遍。而對于高壓水泵的調速，早期還大多是采用液力偶合器、串級調速等傳統方法來實現。隨著高壓大功率變頻器的出現，目前采用高壓變頻器對高壓水泵進行調速逐漸成為一種趨勢。由于高壓變頻器目前成本相對較高，許多供水行業的人士出于投資回收考慮，對水泵調速這項技術本身及其可以取得的效益都比較關心，經常有如下一些疑惑：
a供水系統一般多臺水泵并聯運行，設計原則是同壓頭水泵并聯，同流量水泵串聯。而調速泵速度降低后，按一般常理認為，其輸出水壓將降低，那么調速泵如何再與其他工頻泵并聯，是否有內耗存在？
b常說水泵流量和轉速成正比，壓力和轉速平方成正比，其功率則和轉速立方成正比，也就是說水泵的功耗是按流量的立方關系變化的，假設水泵流量調到一半時，水泵的軸功率只有滿流量時的12.5%，省電應達到87.5%，可為什么實際系統的節能效果遠不是這樣？到底怎樣預估一個水泵調速系統的節能潛力？
c調速水泵和工頻水泵并聯運行時，調速水泵能否無限制往下調速？調速泵是不是轉速到0時流量才為0？并聯工頻水泵會不會過流？調速泵會不會水流倒慣？調速時應注意什么問題？
d水泵調速方法有哪些？究竟什么方式比較可取？對水泵進行調速改造，除了節能，到底還能有什么其他效益？
本文將從水泵的工作特性出發，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，工作特性如圖（1）所示。曲線①為水泵按轉速N1定速工作時的Q-H曲線，曲線②③為管路特性曲線。
在第一種負載工況下，水泵工作在A點，流量為Q1，壓力為H1。當流量減為Q2時，水壓將上升到H2，水泵工作在B點。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的安全。
從水泵定速工作特性曲線看出，盡管水泵工作轉速不變，但只要管網特性發生變化（曲線②變為曲線③），那么水泵的工作點是發生變化的，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速的單值函數。
在自來水行業，流量的減少是因為夜間用戶關閥，管網特性曲線發生了變化，曲線②變為曲線③，流量由Q1降為Q2。為了防止管網水壓的上升威脅到管網安全，可以調節水泵出口閥門或者改開小泵。
在一些化工生產、制冷等行業，流量的減少是因為生產工藝的需要，這時可以調節水泵輸出閥門，人為改變管網特性，使水泵工作點由A點變到B點，從而達到主動調節流量的目的。
圖（2）
圖（2）示出了水泵調速運行時，水泵工作特性的變化情況，曲線①②③分別為水泵按N1 、N3和N2三種速度運行時的特性曲線，曲線④⑤為管網特性曲線。如果管網特性不變，保持為曲線④，水泵由N1轉速調節到N2速運行時，水泵的工作點將由A點變到B點，流量和水壓分別變到Q2和H2，它們都隨著轉速的下降而下降。負載特性不變時，水泵的流量Q、水壓H、軸功率P和轉速N之間滿足如下關系：
Q∝N，H∝N2,P∝N3。
但如果是外界因素導致管網特性發生變化（由曲線④變為曲線⑤），使得流量減少為Q2，但又要維持水壓不變，這時水泵可以將速度調節到N3運行，從工作曲線中可以看出，水泵的轉速和輸出流量下降，但水泵的輸出壓力卻保持不變，這就是為什么流量變化時，可以通過調節水泵轉速實現恒壓供水的理論依據。這種情況下，由于管網特性的改變，水泵的流量Q、水壓H、軸功率P和轉速N之間不再滿足Q∝N、H∝N2、P∝N3的關系，并不是轉速下降其水壓就下降，水泵速度下降且其分擔的流量下降后，只要其輸出水壓不變，就可以和其他高速水泵并聯運行。
3、水泵調速運行的軸功率
3．1管路特性不變
管路特性不變時，水壓隨流量的變化而變化，調速時只對流量作要求，對水壓不作要求，這時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，將水泵速度由N1下調為N2,則水泵工作點由A點變為B點，流量由Q1變為Q2，壓力由H1變為H2，水泵在A、B兩個工作點的輸出功率PA和PB分別為: PA=H1×Q1, PB=H2×Q2
從上式看出，如果轉速降為50%，則水泵輸出功率下降為12.5％；如果在A、B兩點水泵的效率差別不大，則水泵的輸入功率也大大下降。
3．2調速時要求水壓恒定
圖（4）
在圖（4）這種工況下，水泵速度由N1調到N2,工作點由A點變到B點，流量由Q1變到Q2，水壓保持不變，H1＝H2。水泵在A、B兩點的輸出功率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速成正比，因為管路特性已變化，Q1不正比于N1，Q2不正比于N2。）這種工況下類似自來水行業。用戶用水量由Q1下降為Q2（用水量下降是用戶關閥引起的管路特性發生變化，由特性曲線（1）變為曲線（2）仍需水壓保持恒定。
4、水泵調速運行的節能效益
4．1管路特性不變
圖（5）
外部管路特性不變。如果通過水泵調速方式改變流量，按工作點由A點降到B點；如果水泵定速運行，通過閥門改變流量，則水泵從A點變為C點。水泵在B、C兩工作點的輸出功率和輸出功率差分別為：PC=H3×Q2, PB =H2×Q2；
假設水泵在B、C兩點效率差別不大，都約為η，則調速方式相對于關閥方式，節能效益 ΔP＝(H3－H2) Q2 η 。
4．2管路特性變化而調速時要求水壓恒定
圖（6）
流量由Q1變為Q2時，如果水泵定速運行，工作點將由A變為C點；如果通過調速方式，水泵工作點將由A變為B點。水泵在B、C兩點的輸出功率差為： PC－PB＝（H3－H2）×Q2。假設水泵在B、C兩個工作點的效率差別不大，都為η，則水泵輸入功率差
ΔP＝(H3－H2) Q2 η 。
5、水泵調速運行節能效益計算實例
水泵調速節能效益與水泵的特性、運行方式、電費水平等多種因素有關，由于這些因素在不同場合下千差萬別，計算節能效益時對工況作如下假設：
水泵功率為1000KW，年運行時間8000小時，其中1600小時（即20%時間）為100%流量，4000小時（即50%時間）為70%流量，2400小時（即30%時間）為50%流量，調速裝置效率為96%，假設水泵流量Q和壓力H在采用閥門調節流量時近似滿足如下關系：H=A-(A-1)Q2，其中A為水泵出口封閉時的出口壓力，假設為140%，假設電費為1元/度。
5．1采用閥門調節時電耗計算
采用閥門調節流量時，功耗等于流量Q和壓力H的乘積。各種流量的功耗計算如下：
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
電費計算如下：1000×1600+842.8×4000+650×2400=6531200度，一年電費約653萬元。
5．2采用調速且要求水壓恒定時電耗計算
采用調速水泵調節流量時，如果需要壓力恒定，則功耗仍然按流量Q和壓力H的乘積計算。各種流量的功耗計算如下（其中0.96為調速裝置效率）：
P100%=1000/0.96=1041KW
P70%=1000×0.7×1/0.96=729KW
P50%=1000×0.5×1/0.96=521KW
電費計算如下：1041×1600+729×4000+521×2400=5830000度，一年耗電費約583萬元。
流量變化時，如果要求壓力不變，相對于用閥門調節流量，采用變頻器調節流量后，一年可以節省電費約653-583=90萬元，節電量約為13.8%。
5．3采用調速且管路特性不變時的電耗計算
采用調速水泵調節流量時，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
電費計算如下：1000×1600+357.3×4000+130.2×2400=3341680度，一年耗電費約334.1萬元。
流量變化時，如果外部管阻特性不變（即流量小時，壓力也小，調速時對壓力不作要求），相對于用閥門調節流量，采用變頻器調節流量后，一年可以節省電費約653-334=319萬元，節電量達到48.8%。
從計算中可以看出，如果水泵依據流量需求而調速，對水壓不作要求的工況，其節能效果大大好于要求水壓恒定的工況。仿照以上計算方法，用戶可以根據自己實際的水泵容量、供水工況及電費水平，直接預估出調速后的節能效益。
6、調速泵和工頻水泵的并聯運行
6．1多泵并聯時，調速泵實現流量調節的圖示
水泵不管全速運行或調速運行，總滿足以下的特性關系：
圖（7）
圖（7）中繪出水泵分別以不同速度 (n1>n2>n3>n4)運行的H_Q特性曲線，縱坐標H表示水泵出口水壓，橫坐標Q代表水泵流量。從H_Q曲線看出：
a水泵定速運行時，如果其流量減小，水泵出口水壓將增大。如A、B兩點，水泵以恒定速度n1運行，當該泵流量由 Q2下降到Q1時，該水泵出口水壓將由H2上升到H1。
b如果水泵的流量相同，水泵高速運行時的出口水壓高于低速運行時出口水壓。如A、D兩點。
c水泵降速運行時，如果其流量比高速運行時減小，則可以和高速運行時有相同的出口水壓值。如B、C兩點。
兩臺一樣的水泵，分別以不同速度運行，如果各自流量不同，仍可以有相同的出口水壓值，可以直接并聯運行。
假如當前管網總流量為Q2+Q3，管網水壓為H2，由兩臺水泵并聯供水(多臺并聯時很容易類推)。定速泵以n1速度運行，達到出口壓力H2時提供的流量為Q2，運行于B點。調速泵以n2速度運行，達到出口壓力H2時提供的流量為Q3，系統達到平衡。
如果由于工況變化，管網總流量變為Q2+Q4，仍要保持管網水壓為H2，由兩臺水泵并聯供水(多臺并聯時很容易類推)。定速泵還以n1速度運行，達到出口壓力H2時提供的流量為Q2，運行于B點。而調速泵降速到n3速度運行，達到出口壓力H2時提供的流量為Q4，運行于E點。系統達到新的平衡。
在以上兩種工況中，兩臺水泵的出口壓力也完全一致，直接并聯運行，不會有所謂的內耗存在。
6．2全速泵和調速泵直接并聯運行需要注意的幾個問題
a全速泵和調速泵的配置方案
從前面的分析很容易知道，需要多臺水泵并聯供水時，如果調速泵的容量能夠滿足大的峰谷調節能力，則只要配置一臺調速泵即可，多臺水泵同時調速不僅浪費投資，理論上也是沒有必要的。當然，如果單臺調速泵的容量無法滿足大的峰谷調節需要，配置多臺調速水泵，在流量大幅度變化時，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。
b調速水泵的低允許轉速
從以上的特性曲線看出，如果管網總流量為Q2，管網水壓為H2，定速泵將仍然以n1速度運行，達到出口壓力H2時提供的流量為Q2，運行于B點，單臺水泵就已經滿足供水要求。這時調速泵降速到n4速度運行，達到出口壓力H2時提供的流量為0。
如果管網總流量進一步下降，而仍然要保持管網水壓為H2，調速泵轉速將降到n4以下，這時調速水泵雖然正轉，但開始出現水倒流現象（假設沒有配置止回閥）。定速泵多出的供水能力將被調速水泵所消耗，真正出現能量浪費現象。
在用變頻器作調速水泵的驅動時，應將變頻器的低頻率限制在n4轉速之上。變頻器作恒壓運行過程中，如果達到這個低頻率點，應該切除一臺工頻泵，由調速泵提速后繼續運行（假設調速泵和工頻定速泵容量相同），滿足供水要求。
a調速水泵和定速水泵的流量分配問題
調速泵和定速泵并聯運行時，如果總管壓力不變并且設定在正常范圍，原來水泵選型也比較合理，調速水泵速度在正常調速范圍，那么調速水泵和定速水泵的閥門都可以全部打開，以取得大的節能效果。但如果工藝上需要一個比正常值低的水壓，或者定速泵的額定揚程遠高于實際的管網水壓值，則調速過程中可能需要適當關閉工頻水泵的出口閥門，以防工頻水泵過流。
b調速水泵的機械震動問題
傳統的水泵都是按工頻全速運轉設計的，一般只在高轉速下長期運行，僅在啟動過程中短時經歷其他轉速點，所以難保在除工頻之外的其他頻率點上不存在機械共振現象。將傳統的水泵用調速裝置驅動調速運行后，除工頻點之外，水泵也可能在調速區域的所有頻點上穩定運行，所以需要在整個調速區域對水泵機組作機械共振測定。如果存在機械共振頻點，應該輸入變頻器，防止變頻器在這些特殊的頻率點上長期運行。
c流量變化時水泵的切除和投入對水壓的影響
多臺水泵并聯運行時，出現調速水泵流量為0時，應逐步關閉一臺定速水泵的出口閥門，調速水泵將自動升速接管原定速水泵的供水份額（假設調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閉后，將定速水泵切除。定速水泵出口閥門的逐步關閉和終切除，由電氣線路控制自動實現。如果調速水泵流量為0時，不經過閥門的逐漸關閉過程就突然切除定速水泵，將導致水壓的波動。
多臺水泵并聯運行時，出現調速水泵達到大轉速時，應立即增開一臺定速水泵，逐步開啟該定速水泵的出口閥門，調速水泵將自動降速出讓供水份額。定速水泵的啟動和出口閥門的逐步打開，由電氣線路控制自動實現。
a水泵佳效率運行點
水泵在設計時，有一個效率佳的運行點。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行，但達不到佳效率。供水系統設計時，應按實際壓力和流量處于水泵效率佳的運行點來選擇和配置水泵。
調速運行后，水泵工作點變化范圍較大，在一定水壓和流量區間下工頻運行具有佳效率的水泵，在其他轉速運行時效率不一定達到佳值（但比調節閥門引起的效率下降要小得多）。水泵的生產設計廠家有必要對水泵在各種速度下都得到佳運行效率的課題加以研究，生產一種在調速范圍內的各種速度下都有較高的運行效率、并且不會發生機械共振的水泵專作調速水泵使用。
b恒壓供水和供水量的關系
作為供水企業，總希望單位時間內供出的水量越多越好，但這和用調速泵實現恒壓供水并不矛盾。實際上，水流量的多少主要還是取決于用戶用水量的大小，并不能由供水企業主觀愿望而定。當然，適當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，有時還威脅管網安全，所以恒壓供水現在還是調速水泵在很多自來水行業的運行方式。
7、水泵常見的各種調速方式
對高壓大功率的水泵，常見的調速方式有液力偶合器調速、串級調速、內反饋調速、變頻調速等多種方式。
7．1液力偶合器
液力偶合器調速應用較早，成本較低。但該技術屬于滑差功率消耗型調速技術，轉速越低，效率越低。它屬于一種機械傳輸裝置，必須插入在電機和水泵之間進行安裝，對于水泵調速改造項目也不太適用，同時正因為它是電機和水泵的連接紐帶，一旦它發生故障，水泵將無法運行。另外它不能解決電機的啟動問題，電機仍然需要直接啟動，啟動沖擊較大。液力偶合器本身維護工作量也很大，需要經常停機檢修，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，已經很少有人采用，這種技術目前正被逐漸淘汰之中。
7．2串級調速
串極調速是將轉子滑差能量整流后再逆變回電網的一種調速方法，屬于滑差能量回饋型調速技術，比液力偶合器調速在技術上占優。由于控制對象是電機轉子，使用目前耐壓水平的開關器件就可以方便實現對高壓電機的控制。如果調速范圍要求不高時，串極調速裝置容量較小，成本也較低。但串極調速只適用于繞線式異步電機，鼠籠電機無法使用，而繞線式異步電機的滑環需要經常停機維護。串極調速裝置本身是低壓大電流設備，效率和可靠性都不是很高，對電網會產生一定的諧波污染。同液力偶合器技術一樣，串極調速也沒有解決電機的啟動問題，需要配置一套專門的啟動裝置。
7．3內反饋調速
內反饋調速技術實際上也是串極調速的一種，是將轉子滑差能量整流后，再逆變送入電機的另一套定子繞組。內反饋調速和一般串極調速技術相比，省掉了一臺逆變變壓器，但電機定子多了一套繞組，需要采用特殊制造的電機。同串級調速技術一樣，內反饋調速裝置控制的是轉差功率，如果水泵對調速范圍要求不高，裝置容量可以設計得比較小，可以有效降低設備體積和成本。內反饋調速的低轉速一般只能到60%，在高速段會產生5%的速度損失。由于設備本身的低電壓大電流特性，限制了它可實現調速的電機容量的范圍（對于1000KW/6KV電機，如果低調到60%的速度，調速裝置電流就達到800A），設備本身會對電網產生較大的諧波污染和功率因數滯后，需要采取諧波抑制和功率因數補償措施。內反饋調速技術同樣沒有解決電機的啟動問題，需要專門的啟動設備。
7．4變頻調速
變頻調速技術和串級調速不同，它通過改變電機定子的供電頻率，實現對電機的速度控制，所以它適用于鼠籠型異步電動機，克服了繞線式異步機需要經常維護滑環的弊端。除了變頻器本身設備成本較高外，它的優越性是顯著的：
a適用于籠型異步機，也適用于繞線式異步機（只需將轉子繞組短接）。
b裝置電流小，可實現大容量異步電機的調速需要。
c由于直接控制電機定子供電頻率，可實現真正的軟啟動，不需要專門的啟動設備，減少啟動沖擊。
d變頻器可以高精度(0.2‰)、高效率(>96%)、寬范圍(0%~100%)地實現對電機的調速控制。
e屬于高新技術產品，易于和自動化系統聯機，提高生產自動化水平。
f基本免維護，幾乎沒有使用成本。
g易于直接構成閉環控制系統，實現水壓、流量、水位等的自動控制。
當然變頻調速技術本身目前也有多種，如高-低方式變頻器調速（即用變壓器將電網高壓降為低壓，然后接低壓變頻器，控制低壓電機）、高-低-高方式變頻器調速（即用變壓器將電網的高壓降為低壓，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），直接高-高方式變頻器調速（變頻器輸入側直接接高壓電網，輸出側直接連接高壓電機）等。單就水泵調速而言，由單元串聯組成的高-高方式變頻器在技術性能上占有一定優勢。
8、HRSVERT-A變頻器在水泵調速上的應用
HARSVERT-A變頻器是一種單元串聯多電平高壓變頻器產品。分3KV、6KV、10KV三大系列，容量從250KVA-5000KVA，覆蓋的電機功率等級范圍為200KW-4000KW。HARSVERT-A變頻器目前已廣泛應用在市政供水、冶金、電力、石化等國民經濟的各個領域。
8．1變頻器主要特點
a變頻器為高－高結構，輸入側直接連接用戶高壓開關，輸出側直接連接水泵電機，不需輸出升壓變壓器。
b30、42或48脈沖輸入，電網側電流諧波小于4%，功率因數大于0.95(20~100%負載時)，不需要功率因數補償和諧波抑制裝置。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機。
c變頻器有共振點頻率跳躍功能，可有效避免風機喘振現象。
d變頻器對電網電壓波動有極強的適應能力，在±10%范圍內變頻器能滿載工作，電網波動-35%時20秒內不停機，對42或48脈沖變頻器，主電源完全失電3秒內也不會停機。
e變頻器效率為96％（含變壓器）；
f本機操作和遠程監控均采用全中文界面，參數設定、故障查詢、功能設定、啟動停機操作等全部為中文，適合于中國一般值班運行人員水平。
g具有故障自診斷功能，能對所發生的故障類型及故障位置提供中文指示，功率電路模塊化設計，維護水平要求低。
h具有就地監控方式和遠方監控方式。
i調速范圍：0-100%連續可調，調頻精度為0.01Hz，加/減速時間0.1-3200 秒
j可自動做運行記錄，可打印輸出運行報表。
k自備UPS，控制電源掉電報警但不會停機，可維持20分鐘。
8．2變頻器針對供水的專用功能
由于HARSVERT-A變頻器直接內置PLC，易于改變控制邏輯關系，可以適應多變的現場需要。在供水使用時，HARSVERT-A變頻器直接設置了閉環運行、自動調度、閥門聯動等專項功能。
閉環運行功能：
變頻器采集現場的水壓、水位、流量等數據（4~20mA信號），根據其設定值和實際值的變化情況，自動調節變頻器輸出頻率，控制水泵轉速，實現恒壓供水、恒流量供水、或恒水位控制。
自動調度功能：
用戶可根據一天內運行工況的需求情況，將變頻器的運行方式及給定值按對應的時間段一次性填入變頻器的自動調度表，在一天之內變頻器將按照調度表自動運行，不再需要運行人員隨時調整，實現真正無人值守。
閥門聯動控制功能：
a水泵啟動后，當泵口水壓達到規定值時，變頻器自動開啟閥門；
b在規定時間內，如果閥門無法開啟到位，變頻器提供報警信息；
c需要停機時，變頻器自動先關閉閥門，閥門全關后，變頻器自動減速停機；
d在規定時間內，如果閥門無法關閉到位，變頻器提供報警信息，同時繼續運行保障供水安全；
e變頻器故障時，變頻器將首先自動關閉閥門；
f閥門聯動功能可以由用戶選擇有效或無效，同時不影響原有的開閥和關閥控制功能。
9、結語
綜合本文所述，在供水系統中，調速水泵和定速水泵并聯運行時，由于分擔的流量不同，盡管速度不同，但水壓相同，不過變頻水泵有低速限制要求。如果水泵是根據流量變化來調節速度，在對水壓有要求時（壓力不變而流量變化，實際相當于管阻特性變化），不能簡單按照功耗正比于流量的立方這種關系去計算節能效益，因為這種場合下（即管阻變化）這種關系并不成立。在水泵的諸多調速方法中，變頻調速是一種效果佳的方式，其中尤以單元串聯多電平變頻器為優，它不僅效率高、功率因數高、而且波形好，對電網不產生諧波污染。HARSVERT-A變頻器還內置PLC，可以將不同用戶的不同要求和變頻器的啟動停機操作進行無縫集成，大大提高變頻器應用的自動化程度。
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