符永正 (武漢冶金科技大學(xué)環(huán)境工程系)

　　泵與風(fēng)機(jī)的變速調(diào)節(jié)因具有顯著的節(jié)能效益，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但一個(gè)值得注意的問題是：變速調(diào)節(jié)的節(jié)能效益與管路特性具有密切的關(guān)系，也就是說不同的管路特性，變速調(diào)節(jié)的節(jié)能效益不同。甚至對(duì)于某些管路系統(tǒng)，若把變速裝置的效率考慮在內(nèi)，采用變速調(diào)節(jié)與采用節(jié)流調(diào)節(jié)相比，不但不節(jié)能，反而耗能更多。因此，搞清楚管路特性對(duì)泵與風(fēng)機(jī)變速調(diào)節(jié)節(jié)能效益的影響，對(duì)于正確運(yùn)用變速調(diào)節(jié)是必要的。

1 無背壓系統(tǒng)的變速節(jié)能

　　無背壓系統(tǒng)即流體通過泵或風(fēng)機(jī)的能量增值全部用于克服管路阻力的系統(tǒng)，如通風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)冷卻水系統(tǒng)、熱水采暖系統(tǒng)及其他液體閉式循環(huán)系統(tǒng)等。這種系統(tǒng)的管路特性曲線為：

　　H＝SQ²
　　式中：Q--流量
　　　　　H--對(duì)于泵為揚(yáng)程，對(duì)于風(fēng)機(jī)為壓頭
　　　　　S--阻力系數(shù)

　　對(duì)于無背壓系統(tǒng)，管路特性曲線與泵(或風(fēng)機(jī))的相似工況線重合，泵(或風(fēng)機(jī))轉(zhuǎn)速改變前后的兩種工況是相似工況，工況參數(shù)符合如下的相似律：
　　Q₂/Q₁＝n₂/n₁ (1)
　　H₂/H₁＝(n₂/n₁)² (2)
　　N₂/N₁＝(n₂/n₁)³ (3)
　　式中　n--轉(zhuǎn)速?
　　　　　N--軸功率
　　顯而易見，對(duì)于這種系統(tǒng)，隨著所需流量的改變，轉(zhuǎn)速應(yīng)與流量同比例改變，而功率則與轉(zhuǎn)速的3次方成比例改變。比如所需流量減少為50%，轉(zhuǎn)速亦應(yīng)減為50%，而功率則減為(0.5)³＝12.5%。這是與原工況比較，而所謂的節(jié)能是指在達(dá)到同樣的調(diào)節(jié)目的的情況下，變速調(diào)節(jié)與其他調(diào)節(jié)方式相比的能耗減少，并主要是與節(jié)流調(diào)節(jié)相比較,這是因?yàn)楣?jié)流調(diào)節(jié)最簡(jiǎn)單，應(yīng)用也最普遍。
　　如圖1所示，A為設(shè)計(jì)工況，轉(zhuǎn)速為n1，流量為Q1?，F(xiàn)需把流量改變?yōu)镼2，若采用變速調(diào)節(jié)，工況點(diǎn)為B；若采用節(jié)流調(diào)節(jié)，工況點(diǎn)為C。直觀地看，兩工況流量相等，而揚(yáng)程B與C相比有所降低。又因?yàn)锳工況為設(shè)計(jì)工況，應(yīng)在高效率區(qū)，B為A的相似工況，效率與A工況相等，所以一般而言，應(yīng)用ηB≥ηc（η為效率）。那么由N=γQH/η（γ抽升液體或氣體的單位體積質(zhì)量）可知，一般情況下B與C相比，功率至少應(yīng)用與揚(yáng)程同等幅度的降低。

　　 海凱泉水泵廠生產(chǎn)的ISG200-250(Ⅰ)型立式離心泵為例，以產(chǎn)品說明書中給出的性能曲線為依據(jù)，選取Q₁＝0.12m³/s，按Q₂＝0.5Q₁和Q₂＝0.75Q₁兩種情況計(jì)算B、C兩工況的參數(shù)和功率。計(jì)算結(jié)果在表1中列出。?
顯然，Q²＝0.75Q₁時(shí)，N_Ｂ／Ｎ_Ｃ＝11.8/24.5＝48%；Q₂＝0.5Q₁時(shí)，N_Ｂ／Ｎ_Ｃ＝3.5/20.2＝17.3%。即變速調(diào)節(jié)與節(jié)流調(diào)節(jié)相比，軸功率大大減小?？梢?，對(duì)于無背壓系統(tǒng)，即便把變速裝置的效率考慮在內(nèi)，變速調(diào)節(jié)也具有顯著的節(jié)能效益。

2 有背壓系統(tǒng)的變速節(jié)能

　　有背壓系統(tǒng)即流體通過泵或風(fēng)機(jī)的能量增值，一部分用于克服管路阻力，一部分用于提升流體勢(shì)能(包括位能和壓力能)的系統(tǒng)，如高塔供水系統(tǒng)、高層建筑供水系統(tǒng)、鍋爐及壓力容器非循環(huán)式供水系統(tǒng)等。這種系統(tǒng)的特性曲線為H＝H₀+SQ²，式中H₀為流體通過系統(tǒng)的勢(shì)能提升，稱為背壓。對(duì)于這種系統(tǒng)，泵或風(fēng)機(jī)變速前后工況不相似，所以工況參數(shù)不符合相似律，功律與轉(zhuǎn)速之間也不存在簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系。?
　　對(duì)于有背壓系統(tǒng)，背壓H₀的大小對(duì)于變速調(diào)節(jié)的節(jié)能效益有較大的影響。為便于說明比較，假設(shè)同一型號(hào)的泵在三個(gè)不同的系統(tǒng)中工作，并且具有相同的設(shè)計(jì)工況。三個(gè)不同的系統(tǒng)分別為：
?　　　　H＝S₀Q² (H₀＝0)?
　　　　?H＝H₁+S₁Q² (H₀＝H₁)?
　　　　?H＝H₂+S₂Q² (H0＝H2)?
　　如圖2所示，設(shè)計(jì)工況為A，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為n₁，流量為Q₁?，F(xiàn)要求把流量調(diào)節(jié)為Q₂，若采用變速調(diào)節(jié)，三個(gè)系統(tǒng)的工況分別為D、E、F；若采用節(jié)流調(diào)節(jié)，工況均為G。

?

　　直觀地看，若設(shè)計(jì)工況A在高效率區(qū)，應(yīng)有N_D＜N_E＜N_F＜N_G。作為驗(yàn)證，并有一個(gè)量的概念，這里也給出一個(gè)計(jì)算實(shí)例。?
　　選擇上海凱泉水泵廠生產(chǎn)的ISG150-400型立式離心式水泵，以產(chǎn)品說明書中給出的性能曲線為依據(jù)，選定Q₁、Q₂和H₁、H₂之后，計(jì)算D、E、F、G點(diǎn)的工況參數(shù)及功率：?
　?、偃₁＝0.06m³/s,查得H_A＝470kPa,η_A＝74%。?
　?、谌₁＝196 kPa，H₂＝441 kPa，則由于三個(gè)系統(tǒng)的管路特性曲線均過A點(diǎn)，可算得：?
　　　　　　?S₀＝13.1×10⁴kPa(m³/s)²
　　　　　　?S₁＝7.6×10⁴kPa(m³/s)²?
　　　　　　?S₂＝0.82×10⁴kPa(m³/s)²?
　　即三個(gè)系統(tǒng)的管路特性曲線分別為：
　　　　　　?H＝13.1×10⁴Q² (4)
　　　　　　?H＝196+7.6×10⁴Q² (5)
　　　　　　?H＝441+0.82×10⁴Q² (6)?
　?、鄞_定Q2之后，即可通過計(jì)算或查性能曲線確定D、E、F、G點(diǎn)的工況參數(shù)。由于D與A兩工況相似，所以可根據(jù)相似律計(jì)算D工況的揚(yáng)程和轉(zhuǎn)速，D工況的效率與A工況相等。G工況的揚(yáng)程和效率可查性能曲線。E、F工況的揚(yáng)程由式(5)、(6)計(jì)算得到，E、F工況的效率和轉(zhuǎn)速的確定方法以E工況為例說明如下：a.根據(jù)E工況的流量Q₂和揚(yáng)程H_E，可求出過E點(diǎn)的相似拋物線為 H=[H_Ｅ/(Q₂)²]Q²，即圖2中的O-E-P曲線；b.此拋物線與原轉(zhuǎn)速n₁所對(duì)應(yīng)的性能曲線的交點(diǎn)P與E為相似工況；c.E工況的轉(zhuǎn)速為n₃＝Q_E/Q_P＝n₁；d.在原轉(zhuǎn)速n₁所對(duì)應(yīng)的效率曲線上，查出P點(diǎn)的效率η_p，而E與P為相似工況，效率相等，即η_E＝η_p。?
　 表2列出了Q₂＝0.75Q₁和Q₂＝0.5Q₁兩種情況下D、E、F、G各工況的參數(shù)。

　　從表中數(shù)據(jù)不難得到：若以節(jié)流調(diào)節(jié)工況G的功率為100%，則變速調(diào)節(jié)工況D、E、F的功率在Q₂＝0.75 Q₁時(shí)，依次為49.7%、66.4%、88.3%；在Q₂＝0.5Q₁時(shí)依次為17.1%、44.5%、83.4%。這個(gè)結(jié)果說明：
　　無論背壓大小，各系統(tǒng)采用變速調(diào)節(jié)與采用節(jié)流調(diào)節(jié)相比，軸功率都有所減少，但減少的幅度不同。無背壓系統(tǒng)減少的幅度最大，隨著背壓的增大，減少的幅度越來越小。也就是說，無背壓系統(tǒng)采用變速調(diào)節(jié)的節(jié)能效益最好，隨著背壓的增大，變速調(diào)節(jié)的軸功率逐漸趨近于節(jié)流調(diào)節(jié)，變速調(diào)節(jié)的節(jié)能效益也就逐漸降低。背壓增大到一定程度，若把變速裝置的效率考慮在內(nèi)，變速調(diào)節(jié)的實(shí)際能耗就會(huì)很接近、甚至可能超過節(jié)流調(diào)節(jié)的能耗。以效率較高、目前應(yīng)用較多的變頻調(diào)速裝置為例，效率約在0.8～0.9^［1］，如果把這個(gè)效率考慮在內(nèi)，F(xiàn)工況的能耗就會(huì)很接近、甚至可能超過G工況的能耗。也就是說，對(duì)于管路系統(tǒng)H＝441+0.82×10⁴Q₂，變速調(diào)節(jié)就失去了節(jié)能的意義。

3 結(jié)論

　?、贌o背壓系統(tǒng)采用變速調(diào)節(jié)具有顯著的節(jié)能效益。?
　?、谟斜硥合到y(tǒng)采用變速調(diào)節(jié)，隨著背壓的增大，節(jié)能效益逐漸降低。背壓增大到一定程度，能耗與采用節(jié)流調(diào)節(jié)相差無幾，就失去了節(jié)能意義，甚至?xí)霈F(xiàn)耗能更多的情況。?
　　③因?yàn)椴捎米兯僬{(diào)節(jié)增大了系統(tǒng)的投資，所以對(duì)有背壓系統(tǒng)采用變速調(diào)節(jié)，必須針對(duì)具體情況進(jìn)行認(rèn)真的計(jì)算和分析，才能對(duì)其是否節(jié)能、是否經(jīng)濟(jì)做出正確的結(jié)論。??

參考文獻(xiàn)

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　　2　周謨?nèi)?流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)?中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1985