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楊俊武

1  簡述

    鄭州市自來水總公司柿園水廠建廠已有五十年歷史，它擔(dān)負(fù)著鄭州市西部地區(qū)的供水任務(wù)，日供水能力達(dá)四十余萬立方米；送水泵站由于受輸出管路直管段短的影響，水流速度不穩(wěn)定，單臺(tái)水泵準(zhǔn)確計(jì)量流量很困難，調(diào)速水泵的流量計(jì)量也就更困難，該水廠供水量的計(jì)量采用出廠水的綜合計(jì)量方式。

    柿園水廠2001年從北京利德華福公司引進(jìn)了兩臺(tái)790kVA高壓變頻器，應(yīng)用于送水泵站的15#和9#水泵機(jī)組，兩臺(tái)機(jī)組均由6kV三相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了出廠水的恒壓供給，改善了城市管網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特性并使之趨于平滑，同時(shí)在節(jié)能降耗上也取得了相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)收益。兩臺(tái)變頻機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中，一臺(tái)設(shè)置為閉環(huán)運(yùn)行，依據(jù)城市用水量的變化情況，實(shí)現(xiàn)出廠水的分時(shí)性恒壓供水，另一臺(tái)設(shè)置為開環(huán)運(yùn)行，依據(jù)運(yùn)行頻率的高低，相當(dāng)于供水量大小可調(diào)的水泵機(jī)組，兩臺(tái)調(diào)速機(jī)組配合運(yùn)行。

2  變頻調(diào)速水泵應(yīng)用中的理論依據(jù)

        (1)  變頻水泵機(jī)組在不同頻率下對應(yīng)的轉(zhuǎn)速分析

    《電機(jī)學(xué)》公式：n₁=60f/p                                             (1)

                                        n=60f (1-s) /p                                     (2)

    式中：n1為電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，n為電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，f為頻率，p為極對數(shù)（不變），s為轉(zhuǎn)差率。

對于(1)式，同步轉(zhuǎn)速是頻率的函數(shù)；對于(2)式，調(diào)速后的實(shí)際轉(zhuǎn)速是頻率和轉(zhuǎn)差率的二元函數(shù)。變頻調(diào)速水泵機(jī)組的實(shí)際轉(zhuǎn)速主要取決于運(yùn)行頻率的高低；對于出廠水恒壓供給時(shí)，實(shí)際供水壓力的波動(dòng)，對應(yīng)著實(shí)際用水量在變化，使轉(zhuǎn)差率上下波動(dòng)，也使轉(zhuǎn)速上下波動(dòng)。

        (2)  水泵的工作方式有自灌式和吸入式兩種方式，對于自動(dòng)化程度和供水安全性要求高的，裝有大型水泵機(jī)組的送水泵站，宜采用自灌式工作方式。采用自灌式工作方式的水泵機(jī)組，由于自身的結(jié)構(gòu)特性，在啟動(dòng)前不需要引水；而采用吸入式工作方式的水泵機(jī)組，在啟動(dòng)前必須引水。圖1為送水泵站水泵及管路系統(tǒng)的簡圖，屬于自灌式工作方式。取漸變流過水?dāng)嗝娴奈好鏋?/SPAN>1-1斷面，水泵進(jìn)口斷面為2-2斷面，它們的計(jì)算點(diǎn)分別取在自由液面與管軸上，選基準(zhǔn)面在水泵進(jìn)口斷面的中心線上，Z₁=Z，Z₂=0；因水池面遠(yuǎn)大于吸水管截面，故認(rèn)為υ₁=0，P₁為大氣壓強(qiáng)，其相對壓強(qiáng)為0；運(yùn)用《水力學(xué)》中的液體總流的伯利諾能量方程：

        Z₁+P₁/γ+υ₁²/2g = Z₂+P₂/γ+υ₂²/2g+ hw                            (3)

    式中：Z₁、Z₂分別為兩斷面的位置水頭，P₁/γ、P₂/γ分別為兩斷面的壓力水頭，υ₁²/2g、υ₂²/2g分別為兩斷面的速度水頭。

圖1  水泵及管路系統(tǒng)簡圖

(1)   保持水位4.17米不變，15#機(jī)組控制為開環(huán)運(yùn)行，保持某一頻率恒定（轉(zhuǎn)速基本不變），9#機(jī)組控制為閉環(huán)運(yùn)行，依次改變9#機(jī)組設(shè)定水壓值，分別測試f=47Hz和f=48Hz的情況，并記錄不同水壓下的數(shù)據(jù)，測試曲線如圖3所示。曲線f=47Hz在f=48z的上方，真空壓力值隨設(shè)定水壓的增加而增加。根據(jù)水泵的P-Q特性曲線，流量與水壓成反比，當(dāng)設(shè)定水壓升高時(shí)，流量減少，流速υ2減少，根據(jù)公式 (4)， (5)得，進(jìn)水管阻也減小，真空壓力值將增加。

(2)    保持水位4.15米不變，9#機(jī)組控制為閉環(huán)運(yùn)行，保持某一設(shè)定水壓恒定，15#機(jī)組控制為開環(huán)運(yùn)行，依此改變15#機(jī)組運(yùn)行頻率，分別測試0.384MPa和0.404MPa的情況，并記錄不同頻率下的數(shù)據(jù)，測試曲線如圖4所示。0.404MPa曲線在0.384MPa的上方，真空壓力值隨運(yùn)行頻率的增加而減小。根據(jù)水泵的相似理論，運(yùn)行頻率（轉(zhuǎn)速）與流量成正比，當(dāng)設(shè)定頻率升高時(shí)，流量增大，流速υ₂增大，根據(jù)公式 (4)， (5)得，進(jìn)水管阻也增大，真空壓力值將減少。

4  變頻調(diào)速水泵的流量分析計(jì)算

4.1  變頻調(diào)速水泵的水壓-流量（P-Q）特性曲線簇

    運(yùn)用水泵的相似理論，考慮水泵出廠時(shí)的額定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差別；運(yùn)用水泵折引理論，考慮到出廠干管為止的出水管路的水頭損失；對工頻水泵機(jī)組出廠時(shí)的P-Q特性曲線 (1)加以修正和折引，得到符合實(shí)際運(yùn)行的P-Q特性曲線 (2)，其中m n段為水泵機(jī)組工頻時(shí)的高效段。由公式 (2)，電源頻率變化，運(yùn)行轉(zhuǎn)速變化，調(diào)速水泵的特性曲線也發(fā)生變化。依據(jù)不同運(yùn)行頻率所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速和特性曲線 (2)，運(yùn)用水泵的相似理論公式：

        Q₁/Q₂=n₁/n₂， H₁/H₂=（n₁/n₂）²， N₁/N₂=（n₁/n₂）³

    可推算出變頻調(diào)速水泵的一簇P-Q特性曲線，如圖5所示，圖中曲線 (3)、 (4)、 (5)分別為f=48Hz、f=44Hz、f=40Hz時(shí)的P-Q特性曲線，其中m'n'段為調(diào)速水泵機(jī)組f=40Hz時(shí)的高效段。由此知，mnn'm'區(qū)域?yàn)檎{(diào)速水泵調(diào)速后的高效段范圍，調(diào)速水泵在此范圍內(nèi)運(yùn)行，既穩(wěn)定可靠，又具有相當(dāng)?shù)墓?jié)能效果。