劉 琦

(武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072)

水泵是一種常見的流體機(jī)械，在采礦冶金、化工、電力、動(dòng)力工程、城市給排水和農(nóng)田灌溉等眾多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮著不可替代的作用。具有關(guān)資料報(bào)道，我國(guó)水泵和風(fēng)機(jī)的裝機(jī)容量達(dá)1.5 億KW，其耗電總量占到了全國(guó)總發(fā)電量的20%以上。值得一提的是我國(guó)泵站水泵的耗能量占到全國(guó)發(fā)電量的1/10 左右，在“十一五”期間，國(guó)家投資97.72 億元和88.95 億元分別對(duì)大型排澇泵站和大型灌溉泵站進(jìn)行了改造更新，每年能夠節(jié)省的電能約占大型泵站年總耗電量的25%左右。

由于水泵選型容量選得較大、系統(tǒng)匹配不合理以及普遍采用節(jié)流調(diào)節(jié)對(duì)水泵的運(yùn)行工作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，我國(guó)水泵的實(shí)際使用效率普遍要比發(fā)達(dá)國(guó)家低10%－20%，造成嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。水泵在調(diào)節(jié)流量時(shí)運(yùn)用變速調(diào)節(jié)方式能夠節(jié)省大量電能，這對(duì)我國(guó)節(jié)能減排有重要意義。

1 變速調(diào)節(jié)技術(shù)

由于在水泵選型時(shí)，需要根據(jù)運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷進(jìn)行選型，然而在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，水泵不會(huì)總是保持在滿負(fù)荷運(yùn)行。因此，水泵運(yùn)行時(shí)，其運(yùn)行工況并非一成不變，而是隨著外界負(fù)荷的變化需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)。對(duì)水泵運(yùn)行工況的調(diào)節(jié)主要有三種方式:(1)只改變水泵本身的性能曲線;(2)只改變管路系統(tǒng)的特性曲線;(3)兩種曲線同時(shí)改變。常用的調(diào)節(jié)方法有節(jié)流調(diào)節(jié)、入口導(dǎo)流器調(diào)節(jié)、切割調(diào)節(jié)、旁路調(diào)節(jié)等。本文主要介紹變速調(diào)節(jié)和節(jié)流調(diào)節(jié)，并將通過(guò)實(shí)例計(jì)算對(duì)這兩種調(diào)節(jié)方法進(jìn)行比較。

上圖中，曲線2 為節(jié)流調(diào)節(jié)前的管路特性曲線，曲線1 為節(jié)流調(diào)節(jié)后的管路特性曲線，曲線3 為變速調(diào)節(jié)前水泵的性能曲線，曲線4 為變速調(diào)節(jié)后水泵的性能曲線。

節(jié)流調(diào)節(jié)是水泵調(diào)節(jié)的一種傳統(tǒng)方式，它通過(guò)增加管路中的附加節(jié)流損失而使水泵的運(yùn)行工況發(fā)生改變，在圖中表現(xiàn)為從A 點(diǎn)變?yōu)锽 點(diǎn)，流量從Q1 變?yōu)镼2。這種調(diào)節(jié)方式簡(jiǎn)單可靠、投資低，但是增加了系統(tǒng)中的阻力，能量損失大，由于節(jié)流后運(yùn)行點(diǎn)會(huì)偏離高效區(qū)，在中大型水泵中，采用此方法是很不經(jīng)濟(jì)的。

變速調(diào)節(jié)是通過(guò)改變轉(zhuǎn)速來(lái)改變水泵的性能曲線，從而改變水泵的運(yùn)行工況點(diǎn)。即圖中的A 點(diǎn)變?yōu)镃 點(diǎn)，流量同樣從Q1 變?yōu)镼2。與節(jié)流調(diào)節(jié)相比，變速調(diào)節(jié)沒(méi)有附加的節(jié)流損失，在圖中直觀地表現(xiàn)為減少了BC 段揚(yáng)程。同時(shí)，變速調(diào)節(jié)時(shí)，水泵的效率能夠保持不變，因此具有很好的節(jié)能效果。

2 實(shí)例計(jì)算分析

火電廠中水泵是主要的耗能設(shè)備，其耗電量占到了廠用電的60%左右，如果能合理運(yùn)行調(diào)節(jié)這些設(shè)備，提高設(shè)備的效率，這將節(jié)省大量能源并取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。

某火電廠給水泵的性能參數(shù)如下表(當(dāng)轉(zhuǎn)速n=2980r/min 時(shí))，管路系統(tǒng)特性曲線已在圖中畫出。由于每天各個(gè)時(shí)段用戶用電需求不同，電廠的負(fù)荷也隨之改變。如果現(xiàn)在要求給水泵提供的流量變?yōu)?00。首先根據(jù)表格的數(shù)據(jù)，在圖中畫出相應(yīng)曲線，水泵性能曲線與管路特性曲線的交點(diǎn)即為改變流量前水泵的工作點(diǎn)，此時(shí)流量為300，揚(yáng)程為1430m。將水的密度定為1000kg。

2.1 用節(jié)流調(diào)節(jié)改變流量

由于節(jié)流調(diào)節(jié)改變的是管路特性曲線，泵的性能曲線不會(huì)改變。當(dāng)流量為200 時(shí)，從水泵特性曲線上讀出揚(yáng)程為1590m，從圖表中可查出效率為0.63。

2.2 用變速調(diào)節(jié)改變流量

由于變速調(diào)節(jié)改變的是泵的性能曲線，而管路系統(tǒng)中不會(huì)增加阻力損失，故管路特性曲線不會(huì)改變。當(dāng)流量為200時(shí)，從管路特性曲線上讀出揚(yáng)程為1300m。

因此相似拋物線為:

在圖中繪出相似拋物線，與水泵性能曲線于一點(diǎn)，此點(diǎn)極為相似工況點(diǎn)，它們的效率相等，從圖中查出效率為0.66(相似拋物線上的工作點(diǎn)效率相等)。

2.3 對(duì)比分析

采用變速調(diào)節(jié)比節(jié)流調(diào)節(jié)方式節(jié)省的功率為:=301.7KW。

相對(duì)節(jié)電量為:=22%。

如果此給水泵每天工作20 小時(shí)，一年工作300 天，那么一年可節(jié)電1810200 度電;如果每度電按0.5 元計(jì)算，一年可以節(jié)省90.51 萬(wàn)元?？梢姽?jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益都十分可觀。

3 變速調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)

改變轉(zhuǎn)速的方法主要有以下幾種:(1)通過(guò)改變機(jī)械裝置的傳動(dòng)比來(lái)改變轉(zhuǎn)速。裝置需要配置相應(yīng)的變速齒輪或則皮帶輪，這是一種有級(jí)變速調(diào)節(jié)。(2)對(duì)于300MW 以上機(jī)組的鍋爐給水泵，由于普遍采用汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此可以通過(guò)改變汽輪機(jī)的進(jìn)氣量來(lái)調(diào)速，這種方法是一種無(wú)級(jí)變速調(diào)節(jié)。(3)采用液力耦合器進(jìn)行調(diào)速。所謂液力耦合器，它是一種利用流體的動(dòng)能來(lái)傳遞能量的機(jī)械，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，而且調(diào)速范圍較大，比節(jié)流調(diào)節(jié)節(jié)省能量。但是這種方法調(diào)速精度不高，設(shè)備初期投資較大。(4)變極調(diào)速。通過(guò)改變電機(jī)定子的極對(duì)數(shù)來(lái)改變異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，大中型異步電機(jī)一般采用雙速電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變極調(diào)速。(5)變頻調(diào)速。變頻調(diào)速是基于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的原理，采用變頻器改變電動(dòng)機(jī)定子端輸入電源的頻率來(lái)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方法。變頻調(diào)速是最理想的調(diào)速方案，具有調(diào)速效率高，調(diào)速精度高的特點(diǎn)，而且可以在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，并且可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)從而可以減少對(duì)設(shè)備的機(jī)械沖擊和對(duì)電網(wǎng)的電流沖擊。隨著科技的進(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展，變頻設(shè)備的價(jià)格呈下降趨勢(shì)，由于其節(jié)能效果顯著，因而在中小型電機(jī)調(diào)速得到了應(yīng)用。但是在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成熟的高壓大容量變頻設(shè)備，這也限制了其應(yīng)用和推廣。

4 總結(jié)

我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的時(shí)期，由于我國(guó)人口眾多，人均資源大大低于世界平均水平，能源利用效率低和能源短缺已經(jīng)成為限制我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。由于泵類的耗電量占到全國(guó)總發(fā)電量的1/5，然而水泵在運(yùn)行過(guò)程中普遍存在效率低、運(yùn)行管理粗放的問(wèn)題，很大部分水泵仍然采用落后的節(jié)流調(diào)節(jié)技術(shù)，造成巨大的能源浪費(fèi)。在水泵領(lǐng)域推廣變速調(diào)節(jié)技術(shù)能夠顯著減少電能的浪費(fèi)，這對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及和諧社會(huì)的建立將起到積極的推動(dòng)作用。

［1］何川，郭立君.泵與風(fēng)機(jī)(第四版)［M］.北京:中國(guó)電力出版社.2008

［2］陳堅(jiān)，李琪，等.中國(guó)泵站工程現(xiàn)狀及“十一五”期間泵站更新改造任務(wù)［J］.水利水電科技進(jìn)展.2008，28(2)

［3］張文鋼，黃劉琦.水泵的節(jié)能技術(shù)［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社.2010