【原】离心泵及系统节能 - 变频驱动之一

前言

离心泵通常设计成在额定流量下的最佳效率点或其附近运行。然而，额定流量在泵的整个运行周期中出现的时间很短，因此需要某种流量控制方法。传统的流量控制方法是使用阀门，这会增加系统阻力，浪费能源，并且通常会导致离心泵以较低的效率运行。

变频驱动（VFD）可以使泵变速运行来降低流量。这将降低系统压力，并确保泵在最佳效率点附近运行。此外，维护成本可能会降低。本文将讨论变频驱动的节能潜力，然后简要介绍变频器的操作和相对效益。

本篇内容主要信息来源于：www.vfds.org。

离心泵应用及节能

离心泵广泛应用于许多工业和商业。这些泵通常以定速运行，但可以通过变速运行来节约能源。回顾离心泵的相似定律和离心应用的典型工作周期，可以看出这一点。

图1显示了离心泵应用的相似定律：流量与转速成正比；压力与转速的平方成正比；功率与转速的立方成正比。这些关系也可以用数字表示，如表1所示。理论上讲，可以在50%流量（100%流量下所需功率的13%）下运行。由于功率需求的下降比流量的下降快得多，因此，在流量下降时，存在显著的节能潜力。

图1：离心泵相似定律

当考虑离心泵应用的典型占空比时，这些特性非常重要。图2所示的条形图表示离心泵一个典型的运行周期。离心泵的规格（大小）通常可以满足峰值流量要求，而峰值流量要求通常出现的时间很短。因此，设备大部分时间将在降低的流量下运行。对于本示例，系统将在94%的时间内以低于70%的（峰值）流量运行。这种占空比可以通过离心泵的变速运行实现节能。

图2：典型的离心泵工作周期

离心泵基础

了解离心泵的基本运行特性，对于将变频驱动用于这一特定应用是必要的。

图3显示了典型离心泵扬程（或压力）与流量特性的曲线。该曲线表明，如果将离心泵应用于管道系统，则离心泵将产生有限的流量，在该管道系统中，需要通过泵产生较大的压差，以提升液体并克服流动阻力（如A点）。随着所需压差的降低（如B点），可以获得更高的流量。

图3：典型的离心泵曲线

要确定离心泵在给定应用中沿该曲线运行的位置，需要系统曲线提供的附加信息。该曲线如图4所示，显示了离心泵所应用的管道系统的特性。零流量所需的扬程称为静压头或高程。

图4：系统曲线

系统曲线显示了离心泵必须将流体提升多高，而不管流量如何。另一种描述静压头的方法，是将其视为克服重力影响所需的工作量。

扬程的另一个组成部分称为摩擦头，它随着流量的增加而增加。摩擦头是衡量管道及其相关的阀门、弯头和其它系统元件提供的流动阻力（背压）的度量。

离心泵扬程曲线和系统曲线的交点显示了没有流量控制系统的自然运行点，如图5所示。通常选择该交点（的流量和扬程）以确保离心泵在其最佳效率点或接近其最佳效率点运行。

图5：组合曲线

图6显示了定速运行的典型离心泵流量-扬程和流量-效率曲线。可以看出，对于定速运行，效率随着流量的调整而变化。然而，对于变速运行，当转速降低时，根据相似定律，离心泵扬程曲线将向下移动，而效率曲线将向左偏移，从而使效率将相对于泵曲线上的点保持相对恒定（而BEP流量降低）。

图6：定速泵流量-扬程和流量-效率曲线

流量控制方法

不管是以前还是现在，定速交流电机驱动的离心泵，绝大多数工况仍然通过使用泵出口控制阀来调节流量，如图7所示。关小阀门会增加系统中的摩擦力，从而减少流量。节流系统曲线和新的工作点如图8虚线所示。注意：通过节流，实现了所需的流量减少，但牺牲了相对于100%流量增加的系统压力。

图7：阀门控制

图8：节流系统曲线（虚线）

图9：变速控制

降低离心泵转速，会导致泵流量-扬程曲线向下移动。由于工作点仍由减速泵曲线和系统曲线的交点确定，因此可以实现与阀门相同的减少后的流量，但压力显著降低。如图10所示。

除了稍后详细讨论的VFD节能之外，在减压下运行还可以延长泵密封寿命、减少叶轮磨损并减少系统振动和噪音。与变频驱动的潜在节能相比，这些优点可以提供额外的节能。

变频驱动节能

离心泵输出功率或水力功率可表示为（美制单位）：

马力=[扬程(英尺)×流量(GPM) ×比重]/3960

因此，对于任何给定的液体，离心泵必须传输的功率与扬程乘以流量成正比，可以用矩形表示每个工作点，如图10所示。

图10：变速运行

阀门控制矩形包括深色阴影区域和浅色阴影区域，转速控制仅使用马力的较浅阴影部分。因此，该特定流量点可用的潜在节能由较深色的矩形表示。这种情况导致通过使用变频驱动控制而不是阀门控制所需的输出功率将大幅降低。将所需输出功率的降低与输入功率联系起来（这是用户电费帐单的基础），需要考虑离心泵和流量控制元件的效率。

效率可以表示为：

效率 = 输出功率 / 输入功率 = 输出功率 /（输出功率 + 损耗）

由于所需的输出功率在流量减少时显著降低，因此每个系统元件在转速降低时的损失也会减少，即使提供变速运行的设备效率相对较低，也可以节约大量能源，如表2中的数字示例所示。

1）典型的100 HP应用。进行流量控制时，节流至全流量的70%。每年运行4000小时，假设电费为0.07美元/千瓦时。

2）滑差控制是指液体或磁力联轴器，通常称为液力或磁力偶合器。绕线转子电机也是滑差装置。

因此，在离心泵应用中实现节能的第一步是决定对泵使用VFD；第二步是使用满足应用要求的最高效的VFD。

不同类型的VFD能量损耗可能有很大的差异，固态驱动器的损耗比滑差设备低得多，并且非常接近理想的100%有效运行特性，如图11所示。

图11：输入功率比较

效率比较

离心泵在不同工作点的效率，可以很容易地从泵制造商处获得，形式为叠加在不同叶轮尺寸的离心泵曲线上的效率图，如图12所示。

图12：不同叶轮直径效率图

近年来，最先进的电子技术取得了巨大的进步。逻辑的进步产生了大规模集成和微处理器设备，这些设备将继续提高CFD的性能。预计VFD在未来几年将继续降低成本，提高性能。除了长期节能外，安装VFD/电机组件与安装交流启动器/电机组件之间的初始成本差异也在不断缩小。

近年来，能源成本的急剧增加，使得在许多情况下通过使用VFD进行变速流量控制变得经济。对于大量使用离心泵设备的大用户来说，现在开始获得这些VFD的经验是明智的。

总结

选择VFD时，最重要的选择是决定选择非滑差固态VFD。任何此类VFD，都可以通过在任何给定时刻有效地将消耗的能量与水力负载要求相匹配，从而显著节约能源。

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