风机水泵压缩机变频调速节能技术讲座(六)第二讲水泵的并联运行分析(2

2023年12月25日发(作者：)

风机水泵压缩机变频调速节能技术讲座（六）第二讲水泵的并联运行分析（2）

风机水泵压缩机变频调速节能技术讲座

(六)第二讲水泵的并联运行分析(2)

风机水泵压缩机变频调速节能技术讲座(六)

第=讲水泵的并联运行分析(2)

(接上期)

2.1水泵并联运行的一般情况

水泵并联运行的主要目的是增大所输送的流量.但流 量增加的幅度大小与管路性能曲线的特性及并联台数有 关.图2_4所示为两台及三台性能相同的20Sh一13型离心泵并 联时,在不同陡度管路性能曲线下流量增加幅度的情况, 从图5可见,当管路性能曲线方程为Hc=20+10Q2时(Q的单 位为nlIs),从图中查得:

一

台泵单独运行时:Q=730L/s(1oo%) 两台泵关联运行时:Q2=1160L/s(159%) 三台泵并联运行时:Q=1360L/s(186%) 但当管路性能曲线方程为Hc=20+100Q2时(Q的单位为 m./s),从图2—4可查出:

一

台泵单独运行时:Q,=450L/s(1OO%) 二台泵并联运行时:Qz=520L/s(116%) 三台泵并联运行时:Q=540L/s(120%) 图2-4不同陡度管路性能曲线对泵并联效果的影响

116THEWORLDOFINVERTERS 国家电力公司热工研究院自动化所徐甫荣

XuFurong

比较两组数据可以看出:管路性能曲线越陡,并联的

台数越多,流量增加的幅度就越小.因此,并联运行方式 适用于管路性能曲线不十分陡的场合,且并联的台数不宜 过多.若实际并联管路性能曲线很陡时,则应采取措施, 如增大管径,减少局部阻力等,使管路性能曲线变得平坦 些,以获得好的并联效果.

一

般的供水系统都采用多台泵并联运行的方式,并且 采用大小泵搭配使用,目的是为了灵活的根据流量决定开 泵的台数,降低供水的能耗.供水高峰时,几台大泵同时 运行,以保证供水流量;当供水负荷减小时,采用大小泵 搭配使用,合理控制流量,晚上或用水低谷时,开一台小 泵维持供水压力.

多台并联运行的水泵,一般采用关死点扬程(或最大扬 程)相同,而流量不同的水泵.这些泵并联运行时,每台泵 的出口压力即为母管压力,且一定大于每一台泵单泵运时 的出口压力(或扬程):(管道系统不变)

HN:HA2=HB2=Hc2……>HAl,HBl,Hcl…… 并联运行泵的总出口流量为每台泵出口流量之和,且 每台泵的流量一定小于该泵单泵运行时的流量:(管道系统 不变)

QN=QA2-I-QB2+Qc2……<QAl+QBl+Qc1+'…?? 若并联运行的泵的扬程不同,而且流量也不同时,则 在并联运行时扬程低的泵的供水流量会比单泵运行时减小

很多.当管网阻力曲线变化时,容易发生不出水和汽蚀现 象.母管制运行的水泵群的母管压力可由下式求出: ,HIQI+H2Q2+H3Q3+……+所Qi

』71—=一

Q1+Q2+03+……….+Oi

加??柏?{寻0

2.2如何作出并联运行水泵的性能曲线(H-q)或(P-q) 两台或两台以上风机(水泵)向同一压出管路压送流体 的运行方式称为并联运行,如图2-5(a)所示.

(a)两台泵并联示意图(b)并联性能曲线作法.

图2-5两泵并联及并联性能曲线(H—q)#

水泵并联运行的基本规律是:并联后的总流量应等于 并联各泵流量之和:并联后产生的扬程与各泵产生的扬程 都相等(母管压力).因此,水泵并联合成后的性能曲线(H— q)#或(P一)#的作法是:把并联各泵(或风机)的(H—qv)或(p一 )曲线上同一扬程(或全压)点上流量值相加,以图2—5(a)两 台泵并联为例,先把这两台泵的性能曲线(H—q),和(H?q) 以相同的比例尺绘在同一坐标图上,然后把各个同一扬程 值的流量分别相加,如图2—5(b)所示,取扬程值为H,H, H,……,对应于(H-qv);和(H-q),上分别为1,1,1"…… 和2,2,2……取q1+q2,q1+q2,ql-4-q2……

得3,3,3……连接3,3,3……各点即得合成后

泵并联性能曲线(H—Q),同法可得风机并联性能曲线. 2.3当并联水泵中的一台进行变速调节时,如何确定 并联运行工况点

如图2—6所示,I,II两台性能相同的泵并联运行.但泵 I与泵?有一台为变速泵,另一台为定速泵.当变速泵与定 速泵以相同的额定转速运行时,I和?的并联性能曲线(H—Q) 为?I,并联运行工况点为M.但当变速泵的转速降低时, 并联性能曲线变为如图2—6中的虚线所示,其并联运行工况 点也相应地变为M,M,……

从图2—6可以看出,当变速泵的转速降低时,变速泵的 流量减小,但定速

泵的流量却增大.

当变速泵的转速降

低到某一转速值

时,其输出流量为

零,这时并联运行

实际上相当于,台

定速泵单独运行.

若变速泵转速进一

图2—6两泵并联其中一台转速降低时并联

运行工况点的变化

步降低,且变速泵出口管路又未设置逆止阀时,就会出现 定速泵部分流量向变速泵倒灌,这种现象在实际上是不容 许产生的.从图2—6可见,当变速泵的转速由额定转速降低 到该泵输出流量为零的转速时,定速泵的流量将由Q增大 到Q,而扬程将由H减小到H,这可能会导致定速泵产 生过载或泵内汽蚀.为防止定速泵的过载和汽蚀,可在定 速泵出口管路设置调节阀,必要时控制其流量. 如图2—6所示,当静扬程约为额定扬程的20%左右时, Qb约为额定流量的70%,Hb约为额定扬程的60%,工频泵 超载约20%;此时变频泵的转速约为额定转速的78%(频率 为39Hz)左右,则其中心调节转速(5O%流量)约为额定转速 的86%(频率为43Hz),节电率大约为25%左右. 变速泵在B点运行,虽然已经不出水了,但是还要消 耗空载功率,很不经济;此时的转速IlB只是最低转速,不 能在节能计算时作为调节转速使用,而应以不同流量时的 转速为依据,或者以中心调节频率(5O%流量时的转速)为依 据,注意:由于水泵系统静扬程的存在,中心调节频率(转 速)不是最低转速与额定转速的平均值,而应取50%流量时 的频率(转速).如图2—7所示,当静扬程约为额定扬程的 20%左右时,Qb约为额定流量的70%,Hb约为额定扬程的 60%,;此时变频泵的最低转速约为额定转速的78%(频率

为39Hz)左右,而其中心调节转速(50%流量)约为额定转速 的86%(频率为43Hz).

当定速泵的数量增加,B点的扬程H将升高,最低转 速n也将升高,变速泵的调速范围变小,调节效果及节能 效果变差.一般定速泵与变速泵的比例达到3:l时,采用 变速泵已无多大意

义了,而此时往往

还有一台泵是采用

起,停调节的,此

时采用变速泵就更

无什么意义了!见

图2—7.

如图2—7所

示,当静扬程约为

额定扬程的20%左

图2?7多泵并联其中一台转速降低时并联运 行工况点的变化

右时,Qm约为额定流量的85%,Hm约为额定扬程的 80%,工频泵超载约20%:此时变频泵的转速约为额定转 速的89%(频率为44.5Hz)左右,则其中心调节转速约为额定 转速的93.6%(频率为46.8Hz),节电率大约为10%左右,也 就是所需消耗的电功率为采用阀门调节时的90%. 若第三台泵是采用起/停调节,起/停比为312的话,则

反而费电30%!所以在有三台以上泵并联运行时,只改一 THEWORLDOFlNVERTERS117

台变频泵是没有什么意义的

:2珥围豹影响

即供水母管的最小压力,(水泵

『空载功率:在流量为零时,水

蒙航消耗最太功率.十分明显韵是,静扬程越高,空载 功率所占均地例越太.,调速范围越,l,,调节转速的节能效 果越差

静扬程可由泵进水固和出水l口的落差形成,也可由 管阑船力啦钱形成,也可由用户要求的供水压力来决定. (如锅妒绐水蒙,必l1须大于汽包压力才能进水.)当然也可

由变泵运行的定速水泵曲勺出口压力造成1

2.5变频泵与工频泵构并联运行分析

2.5.1变频泵与工频泵并联运行肘总的性能曲线,与关死 点扬程(最大扬程凋流量也不同的水泵并联运行时的 情况非常类假,可以用相同的方法来分析(见图2-8,2—9) Hj矛程

H扬程

阉2.B变频泵与工l并联运行特性曲线

量

量

图2.9变频泵在50Hz时与工频泵并联运行特性曲线 (1)F.为工频泵的性能曲线,也是变频泵在50Hz下满负 荷运行时的性能曲线(假定变频泵与工频泵性能相同),工 频泵单泵运行时的工作点A..

(2)F,为变频泵在频率F,时的性能曲线,变频泵在频率 F单独运行时的工作点B,.

(3)F为变频和工频水泵并联运行的总的性能曲线.工 118THEW0RLDOFlNVERTERS

作点C,扬程Hc,流量Q=Q-I-Q:.

2.5.2变频泵与工频泵并联运行时的特点

(1)F:不仅仅是一条曲线,而是F,性能曲线下方偏左的 一

系列曲线族.F也不仅仅是一条曲线,而是在Fl性能曲

线右方偏上的一系列曲线族.

(2)F,变化时,F也随着变化.工作点C也跟着变化. 因此变频泵的扬程H流量Q工频泵扬程H流量 Q以及总的扬程Hc:H2=H和总流量Qc=Q^2-I-Q2 都会随着频率的变化而变化.

(3)随着变频泵频率F,的降低,变频泵的扬程逐渐降 低.变频泵流量Q:快速减少:工作点C的扬程也随着降 低,使总的流量减少;因此工频泵的扬程也降低,使工

频泵流量Q反而略有增加,此时要警惕工频泵过载. 2.5.3变频泵与工频泵并联运行特例之一,频率F= F1=50Hz

(1)F为工频泵的性能曲线,也是变频泵F2=F】=50Hz-F 满负荷运行时的性能曲线(假定变频泵与工频泵性能相 同),工频泵和变频泵单泵运行时的工作点A. (2)为变频泵和工频泵并联运行的总的性能曲线,工 作点C,扬程Hc=Hs=H等于每台泵的扬程,每台泵的流 量QA2=QB2,总流量Qc=Q2+QB2=2QA2.即当F2= F=50Hz时,变频泵与工频泵并联运行时的特性,与两台 性能相同的泵并联运行时完全一样.

2.5.4变频泵与工频泵并联运行特例之二,F2=Fmin 在图2—10中:

H扬程

Hc

Hb

HO

流量

图2-10变频泵在最低频率"F(F=FmIn)与工频泵并联运行特性曲线

(1)F,为工频泵的性能曲线,工频泵单泵运行时的工作 点A1.

(2)为变频泵最低频率下单泵运行时的性能曲线. (3)F为变频和工频泵并联运行的总的性能曲线,工作 点c不与F湘交,只与F相交,扬程Hc=H.=Hm=H2等于 每台泵的扬程,工频泵的流量Q:=Q,总流量

Qc=QA2=Q…QB2=0.

即当F:=F;时,变频泵的扬程不能超过工频泵的扬 程,因此变频泵的流量零变频泵与正频泵并联运行时 总的性麓曲线,与单台正频蒙运行时韵性曲线捆嘞, 频泵虽然没有流量输出但仍然要淌耗一定峋功率 .在此运行状况中,变频蒙的毅率降室酸1隳,圆此变 频泵最好不要工作在这种工况中

(5EjI巾特例中变频泵极易产生_蚀现象易造成 泵的损坏,解决的办法是将再循环阀渐,使泵保持一定 的最小流量,但这样做会使蒙的能耗增加

水泵变频不论是单泵运行还是并联运行都有一个极端 理想的特倒,就是只有静扬程,没有管嘲阻力,或者管网 阻力与净扬程相比可以忽略,剥管嘲阻力曲线可以着威是 一

条与净扬程点平行的一条直线

水泵将水通过粗管道垂直向上打一个开口的蓄冰池 就是属于这种情况.电厂锅炉给水泵系统中,由于给水压 力极高管网阻力相对较小,因此采用变频运行时也可以 看成属于这种情况.(见图2-II)

H扬程

蚤

图2?11没有臂网阻力时变频泵与工颤泵并联运行特性曲绞 F.为变频器最高运行频率性能曲线.工作点A,F,和F 为变频运行性能曲线.为静扬程,也是实际工作扬程. 图2一l1中不论怎样调节频率,扬程都恒定不变,只是

流量变化.水泵的输出功率只随流量的变化而变化.从图 2-1I中可以看出.随着频率的减少,微小的频率变化?F会 引起很能大的流量变化?Q.性能曲线越平坦,?鹎l起的 ?Q就越大.因此频率越低.流量越小时这种变化就越 大.所以说频率与流量之间的关系为Q/(F.一F?.).是一 种非线性的很难说是几次方的关系.由于功率与流量成正 比.功率与频率的关系为H0.Q^/(FI—F),也很难说与频 率是几次方的关系.

在这种情况下进行变频运行时.流量不宜太小.以防 止微小的频率或转速的变化引起流量较大的变化.造成水 泵流量不稳定(水击)而损坏水管.

Fm.越高,F.一F(调速范围)就越小.流量和功率随 着频率胸变化就越

2,6离性麓离心水泵群的变频控豺方寨

乏段1悃旧瑚菇蒯特点

供水键锄,蛔掇维蔗,羡了满是蔚流量构稀

求厮以流量是镞水蔡统的基奉控制对象,但流量的检 测拢较画难费嗣也较高考虑茬动态供水情况供 水管道中水的霍p的_与供者力和嗣水需求闻的苹 衡情况蒴美:当供冰能手用水量时管道廑上升; 当供水麓力小手鹧水量时,劁管道廑降;当供-水能力 等手用水量时,管道保持.可见,供水能与

嗣水需求闻的矛盾具体地反映莛供身的囊讫圭e从 而蜃赣威了用乘作为控制流量小的参囊量,也就是 说镙持供水素统申綦受的恒霆也就保涯了便供水 毹力和用水需求处手单衡状恋,恰到好处地满足了用户的 用水要求这就是恒廑供水所霎这到的目的e 目前一般的供水寨统,也都乘用了多蒙葬列运行, 大小蒙搭配,以蔹乘用蒙的台数调节譬经漭运行旁武,

其运行的经济性也很好;茬此基础圭遴行囊频调速节能 改造,其节能潜邑是很夫了,对手速一点应当蓿一 个清醒的认识,娶过分夸夫变频调速的蒂能效果,香 则将适得其反1

262高性能离心蒙的蜜频控制方案.

商性能离心武水蒙由手乘用了量元流动,进目导叶等 先进按术,离心武水蒙的特性曲线已经做得非常翠坦,高 效率的王作区城很宽,这也重是水生产广家努力追求的 目标.但是这样的水蘩茬定廑供水重况,其调速的蔻国 很小.供水暴镜的静扬程越夫,也就是窒载功率所占的比 例越夫,水泵特性越单坦.调速范围就越小.调节转速的 节能效果也就越羞e

对手定廑供水系统的高效离心水群如果采用"一寞 多定配置的控制方案,则会弓f超一些问题.圉2=11是定 压供水累统申蜜频水泵的调速特性曲线国.从图申睿量看 出.茬定匡供水系统申.变频水泵新的王况点也就是囊频 蒙特性曲线和等压线的交点.国水蓑的特性曲线非常平 坦.蛮频器的调速范围非常小e且国为供水压力

小的波动 (这在供水蒸统申是很常见的).新的王况点舍发垒剧烈羹 动,重况点极不稳定,虽然在控制程序申可以采用软件滤 波的方法改善稳定的情况.但蜜定逮水蘩配置方案运 行匹配较为圄难,且节能效果宥限却是肯定的,这也是和 采用变频节能控制的初袁相违背的.国此对手实际工程中 的高性能离心黍机群.所有的运行泵都采用变频调速控制 才是最畲逗的.

如果出手经济原因的考虑,调速泵的台数应是最常开 (下转第67页)

THEWORLDOFlNVEFITERS119 ———————]

电压稳态波形及其

谐波分析,图11为

满载时电流稳态波

形及其谐波分析.

从实验结果来看基

于STM32F103控

制平台所设计的三

相逆变器达到了要

求的性能指标.

图10满载电压稳态波形

图11满载电流稳态波形

6结束语

本文简单介绍了STM32F103在电力电力技术上的应

用.针对不同的电力电子变换器结构,给出了STM32F103 的硬件配置.可以看出,STM32F103的硬件资源能灵活满 足不同电力电子控制系统配置需要,采用单片STM32F103 可以实现各种控制方案.给出三相逆变器空载满载时电流 电压的动态和稳态波形波形,进而验证了系统的可行性. 作者简介

袁野(1987一)男硕士研究生,研究方向为电力电子

及电力传动.

程善美(1966一)男博士/教授,研究方向为电力电子及电 力传动,智能控制技术.

参考文献

[1】32F10lxx,STM32F102xx,STM32F103xx,

STM32F105xxandSTM32F107xxadvancedARM—based32- bitMCUs.2009.

【2】32F10xxxCortexM3programmingmanua1.2010.

口ectronicsHandbook:Device,

icPress,2oo7.

[4】程善美,蔡凯,龚博等.DSP在电气传动系统中的应用[M】.北 京:机械工业出版社,2010.

(上接第119页)

泵的台数,其它泵则采用工频备用.行,其综合效率会稍有降低,而扬程1l乍者简介 如果还要减少调速泵的台数的话,则则会有所增加.徐甫荣(1946一)男1970年毕业 一

定要使扬程最高,流量最大的泵调在变,定速泵并列运行时,供水于西安交通大学电机工程系发电厂电

速运行.工作压力应保证定速泵工作在高效力网及电力系统专业,后在西安电子

2.6.3变,定水泵并列运行区,以提高定速泵的效率.并列泵组科技大学攻读硕士研究生.毕业后国

在实际工程中,考虑到投资的可中,变频调速泵的台数越多,节能效家电力公司热工研究院自动化所工

能性和运行工况的必要性,也常设计果越好.在多泵并列供水系统中,只作,任总工程师,教授级高工,现为

变,定水泵的并列运行方式,但应考上一台变频调速泵的效果不大,且很深圳市科陆变频器公司工程技术总

虑以下方面的因素.难匹配.必须只上一台时,也要选扬监,享受国家特殊津贴的专家.主要

首先,在满足最大设计水量的基程最高,流量最大的那一台,其效果从事火电厂热工自动化和交直流电机

础上,尽量使调速高效特性曲线接近会较好些.调速拖动及节能技术的研究工作,在

系统的特性曲线,也就是说,尽量将在多台调速泵并列运行时,所有国内外各类学术刊物上发表论文五十

各种调速泵组合的高效区能套人出现的调速泵应在同一转速下运行;对于余篇,专着"高压变频调速技术应用

机率最高的工作段或点上.调速水泵关死点扬程不同的泵,则应保证各泵实践"等两本.

的台数,应是全年内运行工况中开泵的出口扬程(压力)基本一致,这时的 运行时间最长的台数,而备用泵则采转速就不一样了,要进行折算,就不参考文献(略)

用工频定速泵.当一台调速泵出现故容易匹配了.(未完待续) 障时,可以允许一台工频定速泵运

THEWORLDOFINVERTERS67