下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
|
2.2 水泵经济运行计算 |
泵的机械损耗可按下式计算：
P j = P zx + P px
P zx =（0 . 01 ～ 0 . 03） N
P px = K γ n 3 D 5 /g
式中 P j ——泵的机械损耗，kW；
P zx ——轴承及轴封装置的机械摩擦引起的损耗，kW；
P px ——圆盘摩擦损耗，kW；
N ——泵的轴功率，kW；
K ——实验系数，与机壳或泵的形状、叶轮的粗糙度、流体的黏滞性有关；
n ——叶轮转速，r/min；
D ——叶轮外径，m；
γ ——流体重度，N/m 3 ；
g ——重力加速度，等于9.81m/s 2 。
圆盘摩擦损耗功率在机械损耗中占主要成分。应尽可能从泵的结构上采取措施降低该项损耗。一般可考虑采用提高转速、减小直径和提高叶轮与泵壳的表面光洁度等办法。
（1）水泵调速节能的基本原理
水泵的耗电量与机组的转速的三次方成正比。在使用恒定转速的电动机而通过调节阀控制出水量时，随着管道阻力的增加，由图2-1所示的 R （Ⅰ）变成 R （Ⅱ），工作点由 A 移到 B ，出水量由 Q 1 减少到 Q 2 。同时，扬程由 H 1 增加到 H 3 。因而轴功率由 N 1 变成 N 2 。
图2-1 水泵调速节能原理示意图
如果使用调速电机控制出水量，则随着泵的出水量的变化，若要使管道末端的压力总保持恒定，就可以改变泵的转速。如图中相应的转速从 n 1 减少到 n 2 ，工作点由 A 移到 C ，出水量由 Q 1 减少到 Q 2 ，扬程由 H 1 减少到 H 2 。
从上面分析可知，上述两种方法都可以控制出水量。但由调节阀进行控制时，使泵在 B 点运行时所消耗的电力（轴功率） N 2 为
由调速方式使泵在 C 点运行时，所消耗的电力（轴功率） N 3 为
因此，通过调速来控制出水量比用调节阀控制所节约的电力为
（2）调节阀门上的电能损耗计算
当泵出口压力高于需要值时，若用调节阀门（节流阀门）调节，这时调节阀门上的电能损耗为
式中 Δ N ——调节阀门上的电能损耗，kW；
Δ H ——富裕扬程，即调节阀门上的压降，Pa；
η ——水泵效率；
η d ——电动机效率；
η t ——传动效率。
（3）通过改变转速使泵的容量适应负荷变化
改变转速能改变泵的特性。当泵的转速由 n 1 改变为 n 2 时，流量 Q 、扬程 H 及轴功率 N 按下列关系式变化为
式中各符号下角数字1、2分别表示转速改变前、后的量。
一般，当转速在额定转速的±20%左右范围内变化时，泵的效率变化很小，可以认为基本不变。
采用泵调速措施，初期投资较大，但节能效果显著，尤其适用于大容量泵。要注意，扬程越大，阻力曲线越平，即使转速稍有变化，流量也会大幅度变动，且节能效果较差。
阀门调节流量、滑差电动机调节流量和变频器调节流量的节电效果比较，见表2-1。
表2-1 几种调节水泵流量的节电效果比较
（1）水泵、风机类负载变频调速节电计算
水泵、风机类负荷属于平方转矩负荷，即转矩 M 与转速 n 的平方成正比， M ∝ n 2 ，而电动机轴的输出功率 P ∝ Mn ∝ n 3 ，即电动机轴上的输出功率与转速的三次方成正比。由此可见，当电动机的转速稍有下降时，电动机功率损耗就会大幅度下降，耗电量也就大为减少。
例如，电动机功率较实际负荷大，若将电动机的运行频率由原来的50Hz下调到42Hz时，则电动机的实际转速降为额定转速的42/50=84%，即
n
=0.84
n
e
。由于电动机的额定功率为
P
e
=
K
，因此，电动机运行在42Hz时的实际功率为
由此可见，节电效果十分显著。
（2）水泵、风机用变频器的选用
1）平方转矩负载变频器的选用 水泵、风机类负载为平方转矩负载，可选用通用变频器或节能型变频器。通用变频器的电压/频率（ U/f ）模式如图2-2所示。低速下负载转矩非常小，对变频器的运行温度、转矩等都不存在问题，只需考虑在额定点变频器运行引起的损耗增大即可。如采用节能型变频器，能取得更好的节能效果，比调节挡板、阀门可节能40%～50%。
图2-2 通用变频器的 U/f 模式
若不进行 U/f 一定的控制，而采用如图2-2虚线所示的 U/f 模式下降频率，则电动机效率提高，节能效果更大。
以瑞典ABB公司的SAMIGS系列变频器为例，根据负载特性及电动机功率选择变频器可参见表2-2。
表2-2 SAMIGS系列变频器的选择
国产变频器有佳灵通用型（T9）和节能型（J9）两种，可根据产品技术参数选用。
2）水泵、风机类负载时变频器容量的计算
①水泵、风机类负载时变频器的额定电流 I fe 应不小于1.1倍电动机的额定电流 I e ，即
②根据启动、加速、最大负载转矩，可按表2-3选择变频器的容量。
表2-3 根据不同设备的转矩要求选配变频器的容量
注： M z 、 M e —电动机负载转矩、额定转矩； S f —变频器容量（kV·A）； S e —电动机容量（kV·A）。
3）根据电动机实际功率选择变频器的容量 对于电动机功率较大而其实际负载功率却较小的场合（并不打算更换电动机），所配用变频器的容量可按下式计算：
P f = K 1 （ P - K 2 Q Δ p ）
式中 P f ——变频器容量，kW；
P ——调速前实测电动机的功率，kW；
K 1 ——电动机和泵调速后效率变化系数，一般可取1.1～1.2；
K 2 ——换算系数，取0.278；
Q ——泵的实测流量，m 3 /h；
Δ p ——泵出口与干线压力差，MPa。
例如，一台原料泵，配套电动机为日本进口的1TQ2U1X1-GOW，2极，额定电压为380V，额定功率为380kW，额定电流为680A。泵的型号为150×100VPCH17W，额定扬程为1200m，额定流量为70m 3 /h。
实测功率 P 为321kW，泵出口压力为11.5MPa，流量 Q 为60m 3 /h，泵出口与干线压力差Δ p 为3.5MPa。将参数代入上式得
考虑负载的技术要求及经济性，选择日本明电舍315kW变频器。
该泵采用变频调速后，启动电流和负载电流都大大降低，节电效果显著。经测试，现电动机运行频率在42Hz左右，功率仅为196kW，节电率约为38%。
4）电动机不是4极时变频器容量的选择 一般通用变频器是按4极电动机的电流值等来设计的。如果电动机不是4极（如8极、10极等多极电动机），就不能仅以电动机的容量来选择变频器的容量，必须用电流来校核。
（3）选择和使用水泵、风机用变频器的注意事项
①可选用风机、泵类专用变频器。此类变频器相比通用变频器功率器件的容量较小，价位较低。由于此类变频器已按风机与水泵的特性设定如 U/f 曲线，节电效果显著。
②若采用通用变频器，应按照产品使用说明书设定的风机与水泵的专用 U/f 曲线，此时曲线能按照风机与水泵的特性设定，产生最好的节电效果。
③变频器在拖动一定功率的风机与水泵时，若风机与水泵长期选用较低的转速，此时变频器的功率与转速立方成正比例关系，可选用较小容量的变频器，但要注意 U/f 曲线应按实际工作状况确定，不能选用风机与水泵专用 U/f 曲线，这样可显著降低变频器的投资。如5.5kW的风机，长期在1/2额定转速下运行，可选用2.2kW的通用变频器。
④用变频器控制风机与泵类时，要设定好加减速度时间，一般应根据电动机功率适当放长升速和减速时间，以避免启动与关机太快造成冲击电流太大。
⑤只有当额定频率时（如50Hz），电动机才有可能达到额定输出转矩。
⑥在大于或小于额定频率下调速，电动机的额定输出转矩都不可能用足。例如，当频率调到20Hz时，电动机能达到的输出转矩约为额定转矩的80%；当频率调到10Hz时，输出转矩约为额定转矩的50%。
如果不论转速高低，都需要有额定输出转矩，则应选用功率较大的电动机降容使用才行。
对于平方转矩的负载，当速度调到额定频率以上，则所需功率急剧增加，有时超过电动机、变频器的容量，导致不能运转或过热，所以不要轻易提高频率。
（1）电动机正转运行变频调速线路
线路如图2-3所示。
图2-3 电动机正转运行线路
工作原理：调节频率给定电位器RP，设定电动机运行速度。
按下运行按钮SB 1 ，继电器KA得电吸合并自锁，其常开触点闭合，FR-COM连接，电动机按照预先设定的转速运行；停止时，按下停止按钮SB 2 ，KA失电，FR-COM断开，电动机停止。
（2）采用国产JP6C型变频器的三速运行线路
线路如图2-4所示。
图2-4 采用国产JP6C型变频器的三速运行线路
工作原理：JP6C型变频器设有多速选择信号端子（这里仅用三速），因此不需要选用件。频率的给定可以有三种速度，高速、中速和低速用各自的给定电位器调速。继电器KA 1 、KA 2 、KA 3 相互联锁。如按下按钮SB 1 ，继电器KA 1 吸合并自锁，其常开触点闭合，X 1 -COM连接，另一副触点将FWD-COM连接，电动机按高速指令运行；同样，按下按钮SB 2 和SB 3 ，电动机将分别按中速和低速指令运行。
（3）一台变频器控制多台电动机并联运行线路
线路如图2-5所示。
图2-5 一台变频器控制多台电动机并联运行的线路
工作原理：调节操作单元的电位器RP（图中未标出），设定电动机转速。按下启动按钮SB 1 ，接触器KM得电吸合并自锁。这时操作单元信号从STF输出，变频器FR-COM连接，各电动机按同一转速运行。停机时，按下停止按钮SB 2 ，接触器KM失电释放，同时变频器FR-COM断开，电动机停止。
（4）一控一恒压供水变频器调速控制线路
一控一恒压供水变频调速控制线路如图2-6所示。
图2-6 一控一恒压供水变频调速控制线路
图中，1、2为故障输出端子；4、5、6为模拟反馈电压输入端子；6、8为模拟量输出端子；19、20为正转运行端子。
工作原理：手动时，断开断路器QF 2 （也可不断开QF 2 ，因为接触器KM 1 、KM 2 互相联锁），合上断路器QF 1 ，将转换开关SA置于手动位置，水泵的启动与停止由启动按钮SB 1 和SB 2 控制，直接用工频380V电源供电，电动机过载由热继电器FR保护。浮球开关SL防止水泵无水时空转：无水时，SL常开触点闭合，中间继电器KA得电吸合，其常闭触点断开，切断接触器KM 2 （手动）、KM 1 （自动）电源，水泵不能启动。
自动时，合上断路器QF 1 、QF 2 ，将转换开关SA置于自动位置。当水位（水压）低到规定值时，KA触点闭合，接触器KM 1 得电吸合，其常开辅助触点闭合，变频器19、20（COM）端子连接，同时，KM 1 的主触点闭合，变频器投入运行，水泵自动投入变频调速运行，并根据反馈信号，自动调节水泵转速，从而达到恒压供水的目的。
电器元件见表2-4。
表2-4 电器元件表
（5）一控二恒压供水变频调速控制线路
一控二（即一台变频器控制两台电动机）恒压供水变频调速控制线路如图2-7所示。
图中，1、2为故障输出端子；6、7为模拟反馈电流输入端子；6、8为模拟量输出端子；19、20为正转运行端子；11、20为可编程数字输出端子。
工作原理：合上断路器QF 1 和QF 3 及QF 4 ，手动时，将转换开关SAC置于手动位置，合上转换开关SA 1 及SA 2 （两台水泵同时投入时，SA 1 、SA 2 同时合上），中间继电器KA 2 得电吸合，其常开触点闭合。同时接触器KM 3 、KM 4 得电吸合，由于KM 1 与KM 2 互为联锁、KM 3 与KM 4 互为联锁，所以水泵1和水泵2直接由工频380V电源供电运行。停止时，只要断开SA 1 、SA 2 即可。电动机过载分别由热继电器FR 1 和FR 2 保护。
自动时，合上全部断路器，将转换开关SAC置于自动位置。当水位（水压）低到规定值时，中间继电器KA 1 得电吸合，变频器的19、20（COM）端子连接，同时接触器KM 1 、KM 3 得电吸合（KM 2 、KM 4 失电释放），水泵自动变频调速运行，并根据反馈信号，自动调节水泵转速和需要运行的水泵台数，从而达到恒压供水的目的。
浮球开关SL防止水泵无水进空转。
电器元件见表2-5。
表2-5 电器元件表
（6）一用一备恒压供水变频调速控制线路
一用一备恒压供水变频调速控制线路如图2-8所示。
图中，1、2为故障输出端子；4、5、6为模拟反馈电压输入端子；6、8为模拟量输出端子；19、20为正转运行端子。
工作原理：合上断路器QF 1 和QF 2 ，将转换开关SAC置于1 # 用2 # 备位置，触点①、②接通，③、④接通。中间断电器KA 3 得电吸合，其常开触点闭合，1 # 变频器的19、20（COM）端子连通，1 # 水泵变频运行。由于KA 3 与KA 4 互相联锁，所以2 # 水泵停止运行。当1 # 水泵发生故障时，变频器内部故障继电器吸合，1、2端子短接，即FB和FA连通，时间继电器KT 1 线圈得电自锁，经过一段时间延时（为确保两台水泵切换的安全），其瞬时常闭触点断开，KA 3 失电释放，1 # 水泵退出运行，而KT 1 的延时闭合常开触点经过一段时间延时（为确保两台水泵切换时的安全）闭合，中间继电器KA 4 得电吸合，其常开触点闭合，2 # 变频器的19、20（COM）端子连通，2 # 备用水泵投入变频运行。
当转换开关SAC置于2 # 用1 # 备时，工作原理和1 # 用2 # 备相同。
浮球开关SL防止水泵无水时空转。当水箱无不时，浮球开关SL常开触点闭合，中间继电器KA 2 得电吸合，其常闭触点断开，切断控制回路电源，从而使两台水泵均停止运行，避免空转。
电器元件见表2-6。
表2-6 电器元件表
（7）消防泵一用一备软启动控制线路
采用FSR1000X软启动器的消防泵（一用一备）软启动控制线路如图2-9所示。当转换开关1SA置于自动位置时，两台消防泵一台运行一台备用，两台泵互为备用，运行故障后备用泵立即自动投入。当1SA置于手动位置时，两台泵均可手动单独操作。时间继电器（KT）延时整定值大于单台软启动启动时间。
图2-9 消防泵一用一备软启动控制线路
图中，1、2为旁路继电器端子；3、4为故障输出端子；7为瞬停输入端子；8为软停输入端子；9为软启动输入端子；10为公共接点输入端子（COM）；11为接地端子（PE）；12、13为控制电源输入端子。
工作原理：合上断路器1QF、2QF。手动时，将转换开关1SA置于手动位置，触点3与4及5与6接通。假设启动1 # 泵，按下1 # 泵软启动按钮1SB，软启动器1RQ的端子9、7连接，1 # 泵软启动，经过一段时间延时，软启动完毕，软启动器内旁路断电器吸合，端子1、2连接，旁路接触器1KM得电吸合，1 # 泵直接由电网380V供电，正常运行。停机时，按下软停按钮1SS，软启动器1RQ的端子8、7断开，其内旁路继电器的常开触点S断开，接触器1KM失电释放，退出运行，1 # 泵经软启动器软停机。
启、停2 # 泵的工作原理同上。
自动时，将转换开关1SA置于自动位置，触点1与2接通。假设1 # 泵运行、2 # 泵备用，将转换开关2SA置于左边位置，则触点1与2、5与6、9与10、13与14接通。按下外接消防按钮SS 1 ～SS 3 或接通远控输入接点KY，时间继电器1KT线圈得电，经一段时间延时，其延时闭合常开触点闭合，中间继电器2KA得电吸合，其常开触点闭合，软启动器1RQ的9、10接通，1 # 泵经软启动器软启动，启动结束，软启动器内旁路继电器触点S接通，接触器1KM得电吸合，1 # 泵由电网380V供电，正常运行。
当中间继电器2KA吸合时，其常开触点闭合，时间继电器2KT线圈通时，经过一段时间延时，其延时闭合常开触点闭合。由于1KM常闭辅助触点断开，因此2 # 泵不能启动，处于备用状态。当1 # 泵停止运行时，1KM失电释放，其常闭辅助触点闭合，于是2 # 泵自动投入软启动，经过一段时间延时，软启动器2RQ内旁路继电器触点S闭合，接触器2KM得电吸合，2 # 泵经电网380V供电，正常运行。
停机时，外接消防按钮SS 1 ～SS 3 闭合或远控输入接点继开，控制回路失电，1KT、2KT、2KA均失电，2KA常开触点断开，软启动器2RQ的端子8、10断开，旁路继电器触点S断开，接触器2KM失电释放，2 # 泵经软启动器软停机。
同样，1 # 泵备用、2 # 泵运行，只要将转换开关2SA置于右边位置，工作原理同上。
电器元件见表2-7。
表2-7 电器元件表
（1）车削或更换叶轮
当使用中的泵流量比实际所需要的流量大、而又不能采用调速控制时，可将原有泵的叶轮车削一段或更换叶轮，这时泵的相对性能将按下列近似关系式改变（假设原来的叶轮出口宽度 b 在出口附近不变）：
改造后电动机的输入功率为
式中 D 1 ， D 2 ——改造前、后泵的叶轮外径。
改造后的叶轮直径为
上述改造只限于离心泵。
图2-10为叶轮加工前后泵特性改变情况。曲线Ⅰ和Ⅱ分别对应切削前后的 Q - H 特性。
图2-10 叶轮加工前后泵特性图
实际上，加工前后的叶轮出口宽度和出口角度等要发生变化，这样就会破坏形状相似性，因此要使上述各式成立，加工比 D 2 /D 1 应大于0.8。
特别是叶轮出口宽度 b 大的泵（B型）， D × b 几乎不变。这种场合，通过加工，泵的特性变化与A型的稍有不同。
A型属于低比转数泵，B型属于中高比转数泵。A型和B型两类叶轮的泵的特性见表2-8。按表中公式求得的各值是近似值，为了避免过量切削，建议逐步切削。
表2-8 叶轮加工后泵特性的改变表
很多泵的叶轮处于A型和B型之间，加工时的性能改变可以这两种类型作参考。
以上两种叶轮的实际加工量要比计算加工量大，这是由于受叶轮交叉影响的结果。叶轮加工量修正曲线如图2-11所示。
图2-11 叶轮加工量修正曲线
另外，泵的效率因叶轮加工而降低。图2-12为进行外径加工后的场合，将各外径的扬程曲线效率相等的点连接起来的等效率曲线图，可以作为叶轮加工时估计泵效率降低的标准（供参考）。
图2-12 等效率曲线
（日本酉岛制作所产品样本）
（2）抽去叶轮叶片（改变级数）
该方法不能改变流量，只能改变扬程，即有下列关系式：
此法也只限于离心泵。抽出前段叶片比抽出后段叶片效率降低得少。
（1）减少管道阻力的节电计算
消除管道上多余的管件和不必要的转弯及锐角，以减少管道阻力，能降低输送水的单位耗电量。阻力损失可按下列公式计算：
①直线段管道的管中阻力损失为
②局部阻力的压头损失为
式中 Δ H ——阻力损失，Pa；
λ ——沿程阻力系数，见第1章第1.1节1.1.3项中内容。
L ——管道长度，m；
Q ——流量，m 3 /s；
D ——水管直径，m；
ξ ——局部阻力系数，见表1-6；
g ——重力加速度，等于9.81m/s 2 。
（2）选择合理的扬程
当泵的扬程留有过多余量时，会浪费电能，因此应合理确定泵的运行点的扬程。
对于一定的供水系统，泵的扬程应满足以下公式：
式中 H ——泵的扬程，m；
H j ——泵的静扬程，即为吸入容器A与供水容器B之间的液面高度差，m；
H B - H A ——供水容器B与吸入容器A的液面压力差，Pa；
γ ——流体重度，N/m 3 。
（1）采用新式效率高的水泵代替老式效率低的水泵节电量计算
式中 A ——更换后泵的节电量，kW·h；
Q ——水泵实际流量，m 3 /s；
H ——水泵实际扬程，m；
η 2 ， η 1 ——新式水泵和老式水泵的效率；
τ ——水泵运行时间，h。
（2）更换电动机的计算
当电动机功率过大于实际需要时，可以用更换电动机的方法节电。
①更换电动机功率的确定 先根据电动机的实测电流 I 1 从电动机负载特性曲线上查出电动机的输入功率 P 1 、输出功率 P 2 和功率因数cos φ 1 。
然后根据输出功率 P 2 选择一台更换用的电动机，其额定功率可按下式确定：
P e =（1 . 1 ～ 1 . 2） P 2
式中 P e ——更换后电动机的额定功率，kW；
P 2 ——原来的电动机实际输出功率，kW。
②更换电动机后节电量的计算 先用原电动机实际输出功率 P 2 从更换电动机的负载曲线上查出电流 I 2 、输入功率 P ' 1 和功率因数cos φ 2 。
然后由下式求得所节约的有功功率为
所节约的无功功率为
年节电量的计算：
Δ A =（Δ P +Δ QK ） t
式中 Δ A ——年节电量，kW·h；
K ——无功经济当量；
t ——水泵年运行时间，h。
③投资收回年限的计算 购买新电动机的费用（电动机价格）设为 Y （元），更换下来的电动机剩余价值设为 C （元）。不考虑利率变化和安装费用，投资收回年限为
式中 T ——投资收回年限，年；
δ ——电价（元/kW·h），可取0.5元/kW·h。
一般要求在5年内收回全部投资，以获得较好的经济效益。
泵可以根据实际需要的负荷状况，采取串联或并联运行。串、并联后泵的特性曲线将改变。
（1）泵串联运行特性
在不改变管道系统的情况下，将性能如图2-13中虚线所示的两台泵串联运行时，其总扬程如实线所示。该实线与管道系统的阻力曲线 R 的交点 A 即为工作点。这时每台泵的流量为 Q 2 、扬程为 H 2 / 2。图中 OB 为实际扬程。
图2-13 特性相同的泵串联运行时的特性
（2）泵并联运行特性
控制泵的运行台数是减低运行泵的轴功率的有效方法。
在不改变管道系统的情况下，将性能如图2-14中虚线所示的两台泵并联运行时，其总扬程如实线所示。该实线与阻力曲线 R 的交点 A 即为工作点。这时每台泵的流量为 Q 2 / 2、扬程为 H 2 。
图2-14 特性相同的泵并联运行时的特性