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供水系统变频调速节能改造的可行性研究 1引言风机和水泵在国民经济各部门的数量众多,分布面极广,耗电量巨大。据有关部门统计,全国风机、水泵电动机装机总容量约为35000MW,耗电量约占全国电力消耗总量的40%左右。目前,风机水泵的耗电量中还有很大的节能潜力,其潜力挖掘的焦点是提高风机和水泵的运行效率。据估计,提高风机和水泵系统运行效率的节能潜力可达300~500亿kW·h/年,相当于6~10个装机容量为1000MW级的大型火力发电厂的年发电总量。 离心式的风机水泵的负载特性属平方转矩型的负载,即其轴上需要提供的转矩与转速的二次方成正比。风机水泵在满足三个相似条件:几何相似、运动相似和动力相似的情况下遵循相似定律;对于同一台风机(或水泵)。当输送流体的密度ρ不变仅转速改变时,其性能参数的变化遵循比例定律:流量与转速的一次方成正比;压头(扬程)与转速的二次方成正比;轴功率则与转速的三次方成正比。如果水泵转速是其额定转速的50%时,则功耗只有额定值的12.5%,节能率可达87.5%。 果真如此吗?否。风机水泵比例定律的三大关系式的使用是有条件的,在实际使用中,风机水泵由于受系统参数和运行工况的限制,并不能简单地套用比例定律来计算调速范围和估算节能效果,而应将实际工况转化为相似工况后,才能用比例定律进行计算。其结果的差别还是很大的。作为变频器的生产厂家,特别是专门研究变频控制的专家学者,必须明明白白地告诉用户,风机水泵的变频节能到底是怎么一回事,而不能有意无意地误导读者,片面夸大节能效果。 2风机水泵的相似定律2.1风机(水泵)的几何相似,运动相似和动力相似两台泵(风机)若几何相似,就是说它们的形状完全相同,只是大小不同,其中一台泵(风机)相当于另一台泵(风机)按一定比例的放大或缩小。举个形象的例子:两张不同比例尺的中国地图,它是几何相似的,但大小相差一定的倍数。应指出的是:本书所说的两泵(风机)几何相似,是指通流部分的几何相似,并不是要求泵(风机)之间的轮廓外形也必须几何相似。 两台泵(风机)的运动相似是指两台几何相似泵(风机)通流部分各对应点的速度三角形相似。显然,只有当两台泵(风机)的通流部分几何相似,才有可能运动相似,但满足几何相似条件的,不一定满足运动相似的条件,只有当两台几何相似泵(风机)都在相似工况点运行时(例如:都运行在最高效率工况点时),才是运动相似,所以运动相似又称工况相似。两台风机(水泵)的动力相似则是指作用于两台泵(风机)内各对应点上力的方向相同,大小成比例。作用于泵(风机)内流体的力主要有惯性力、粘性力的总压力。因此,为使泵(风机)中的动力相似,必须对应点上的惯性力与弹性力(或压力与密度)之比相等,惯性力与粘性力之比相等。 2.2离心式风机(水泵)的相似定律叶片式泵与风机的相似定律是两台泵(或风机)在满足几何相似和运动相似的前提下导出的。它给出几何相似的泵(或风机),在相似工况点的流量之间、扬程(或全压)之间、功率之间的相互关系为:即把泵的线性尺寸几何相似地均放大一倍时,对应工况点的流量、扬程、轴功率将各增到原来的8倍、4倍和32倍。例2某台离心式风机采用变速调节方式,当其转速降低到原来额定转速的一半时,其对应工况点的流量、全压、轴功率各降到原额定转速时的多少倍?(设气体密度不变)解由比例定律式(7)~式(9)得即当风机的转速降低到原额定转速的一半时,对应工况点的流量、全压、轴功率各下降到原来的1/2、1/4和1/8,换句话说,用变速调节方式调节流量可使轴功率值大大下降,这也就是变速调节方式可以大幅度节电的原因。 应该指出的是本题中的n'/n=2>1.3,所以计算的结果可能会有一定误差。例3已知Y4-73No28型锅炉引风机在抽送140oC的烟气时所需的轴功率为636kW,试问若用以输送20oC的空气时所需的轴功率为多少?已知烟气在140oC时的密度为0.85kg/m3,空气在20oC时的密度为1.2kg/m3。解由相似定律(3-8)得在20oC空气时风机所消耗的轴功率p为:故在考虑引风机电动机的功率时,应注意到引风机在冷态起动时所需的轴功率值。 2.3求出几何相似风机(水泵)之间的相似工况点。相似定律只适用于几何相似泵(风机)对应工况点之间的关系,因此,在应用相似定律之前,需要先找到对应工况点关系。对应工况点又称相似工况点,可以通过下面两种方法求几何相似泵(风机)的相似工况点。 (1)根据相似工况点的效率相等求相似工况点间的关系,相似定律式(4)~式(6)是在假设相似工况点各效率对应相等的前提下得出的,这就是说,相似工况点的效率必相等。下面根据这一思路求相似工况点间的关系。两台几何相似泵(风机)的最高效率是相等的,且每台泵(风机)都只有一个最高效率点,所以各几何相似泵(风机)的最高效率点是相似工况点;