本文主要根據(jù)實際情況分析離心泵的特性，確定其工作位置及連接方式確保其達(dá)到最佳的運行工況，從而達(dá)到節(jié)能的目的。并對循環(huán)泵的特性及應(yīng)用加以分析并提出建議，實現(xiàn)節(jié)能的最大化。
1、前言
隨著“黨的十八大”勝利召開，國家對能源的合理利用及節(jié)能減排進(jìn)行了重大調(diào)整。減少對不可再生能源的利用、節(jié)能減排仍是社會發(fā)展一個不變的話題，并需要各行各業(yè)共同擔(dān)負(fù)這份責(zé)任。對于供熱企業(yè)而言，本身就是耗能大戶，又是“保本微利”的行業(yè)，如若設(shè)備匹配、運行管理等方面未達(dá)到較高水平，不但浪費大量能源，還會出現(xiàn)嚴(yán)重的虧損。
對于供熱系統(tǒng)來說主要從熱、電、水三方面進(jìn)行控制，實現(xiàn)節(jié)能的目的。循環(huán)泵作為熱網(wǎng)的循環(huán)動力，需要克服整個系統(tǒng)的阻力損失，將熱網(wǎng)中的循環(huán)水推動起來，以保證供暖正常。但往往由于對水泵的認(rèn)識及了解不夠深刻，在循環(huán)泵的選型、運行及與系統(tǒng)的匹配上出現(xiàn)不合理的情況，造成電能的浪費?，F(xiàn)就如何達(dá)到循環(huán)水泵的最佳運行工況，從而達(dá)到節(jié)能效果進(jìn)行論述。
2、單臺水泵特性及變頻
2.1 單臺水泵的特性
循環(huán)泵的參數(shù)包括流量、揚程及功率，而對于管網(wǎng)中循環(huán)泵工作點的位置、流量的大小、做功的多少都與其特有的特性曲線及外網(wǎng)的特性曲線有關(guān)。循環(huán)泵的特性曲線通?？梢杂孟铝泻瘮?shù)式來表示：
△P=a+bv+cv2+dv3 （2-1）
式中：a、b、c、d —— 根據(jù)水泵的特性曲線數(shù)據(jù)擬繪的數(shù)值。
循環(huán)泵的工作點在該曲線上工作，始終不會偏離，其實際工作點與下式的熱網(wǎng)壓降公式有關(guān)，即兩個函數(shù)的交叉點為循環(huán)泵的工作點，
熱網(wǎng)壓降公式
△P=SV2 （2-2）
（2-1）、（2-2）兩式聯(lián)立即可求得：△P和V
也可用曲線求得△P和V（如下圖1），即A為工作點。
圖1
通過上式及上圖可以看出，如果想改變水泵的工作點A，只能通過調(diào)節(jié)外網(wǎng)的S值來改變，使外網(wǎng)特性曲線向右偏移或者向左偏移。
2.2 變頻調(diào)速
頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系
n=60?（1-SN）/P （2-3）
式中：n——水泵轉(zhuǎn)速，r/min；
?——電流頻率，Hz；
P——電動機(jī)的極對數(shù)；
SN——電動機(jī)額定轉(zhuǎn)差，即定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差比值（5%）。
水泵流量、揚程和功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系（比例定律）
（2-4）
為了得到確切的數(shù)據(jù)，安迪供熱節(jié)能技術(shù)培訓(xùn)中心成立了專門的研究小組，制作了水泵的并聯(lián)和變頻演示臺，對泵的運行情況進(jìn)行剖析，通過以下實驗數(shù)據(jù)可以真正認(rèn)識泵的工作特性。
2.2.1實驗設(shè)備
循環(huán)泵試驗臺（系統(tǒng)圖2如下：）
圖2
（循環(huán)泵的參數(shù)均為：G=25m?3;/h；H=32m；N=4kw；額定電流7.9A）
2.2.2 實驗原理
開啟循環(huán)泵，通過流量計可以讀出循環(huán)流量，泵進(jìn)、出口的壓力表差值可以計算出循環(huán)泵的實際揚程，根據(jù)水泵凈功率計算公式：N =G·H×2.778，可以計算出泵的出力，水泵的實際耗電功率W=√3U·I·COSθ，根據(jù)兩式可以計算出循環(huán)泵的效率：=N凈/N實耗。
2.2.3 實驗數(shù)據(jù)
實驗時通過改變泵出口閥門的開度來調(diào)節(jié)循環(huán)流量，同時記錄對應(yīng)的流量、壓力、頻率、電流等數(shù)據(jù)。
單臺循環(huán)水泵工頻及變頻運行數(shù)據(jù)記錄見表1。
表1
變頻數(shù) f（Hz） | 流量 G(m?3;/h） | 揚程 H（mH2O） | 電流 I(A) | 凈功率N(kw) N=2.778GH | 實耗功率W(kw) W=√3UIcosθ | 效率 η(%) |
50 | 10 | 34 | 6 | 0.94 | 3.16 | 29.9 |
15 | 32 | 6.6 | 1.33 | 3.48 | 38.4 | |
20 | 31 | 7.2 | 1.72 | 3.79 | 45.4 | |
25 | 28 | 7.7 | 1.94 | 4.05 | 48.0 | |
30 | 24 | 8.2 | 2.00 | 4.32 | 46.3 | |
40 | 14 | 9.2 | 1.56 | 4.84 | 32.1 | |
45 | 10 | 28 | 5.2 | 0.78 | 2.74 | 28.4 |
15 | 26 | 5.7 | 1.08 | 3.00 | 36.1 | |
20 | 24 | 6.4 | 1.33 | 3.37 | 39.6 | |
25 | 20 | 6.7 | 1.39 | 3.53 | 39.4 | |
30 | 17 | 7.3 | 1.42 | 3.84 | 36.9 | |
40 | 8 | 8 | 0.89 | 4.21 | 21.1 | |
40 | 10 | 22 | 4.8 | 0.61 | 2.53 | 24.2 |
15 | 20 | 5.3 | 0.83 | 2.79 | 29.9 | |
20 | 18 | 5.9 | 1.00 | 3.11 | 32.2 | |
25 | 15 | 6.4 | 1.04 | 3.37 | 30.9 | |
30 | 11 | 6.8 | 0.92 | 3.58 | 25.6 | |
35 | 7 | 7.1 | 0.68 | 3.74 | 18.2 | |
35 | 10 | 17 | 4.4 | 0.47 | 2.32 | 20.4 |
15 | 15 | 5 | 0.63 | 2.63 | 23.7 | |
20 | 13 | 5.6 | 0.72 | 2.95 | 24.5 | |
25 | 10 | 6 | 0.69 | 3.16 | 22.0 | |
30 | 6 | 6.4 | 0.50 | 3.37 | 14.8 | |
35 | 2 | 6.7 | 0.19 | 3.53 | 5.5 | |
30 | 10 | 12 | 3.9 | 0.33 | 2.05 | 16.2 |
15 | 9 | 4.4 | 0.38 | 2.32 | 16.2 | |
20 | 7.5 | 5 | 0.42 | 2.63 | 15.8 | |
25 | 5 | 5.4 | 0.35 | 2.84 | 12.2 | |
28.5 | 2 | 5.7 | 0.16 | 3.00 | 5.3 |
2.2.4實驗結(jié)論
水泵特性曲線及變頻曲線如下圖
圖3
效率曲線如下圖4
圖4
功率曲線如下圖5
圖5
通過以上數(shù)據(jù)得出，循環(huán)泵變頻后隨著頻率的逐漸降低
（1）循環(huán)水泵的特性曲線向左下方偏移；
（2）效率曲線的軸線向左偏移，效率逐漸快速降低，40Hz變頻運行，效率比50Hz將降低25%左右，因此不建議循環(huán)泵頻率在40Hz以下運行；同時不要認(rèn)為泵可選大點，通過變頻去找合理的工作點，減少電能；
（3）功率曲線則是隨著流量的增加呈上升趨勢，也就是電耗逐漸升高，即在外網(wǎng)阻力較小且沒有控制手段的的情況下，會出現(xiàn)超流的現(xiàn)象。
3 水泵并聯(lián)
有些人認(rèn)為，兩臺循環(huán)泵并聯(lián)運行，總流量小于單臺泵運行的兩倍，由此說兩臺泵運行效率低，盡量不要采取兩臺泵并聯(lián)運行。實際是否如此呢？安迪節(jié)能技術(shù)培訓(xùn)中心，為了較準(zhǔn)確的回答這個問題，專門制作了一個試驗臺。
3.1實驗設(shè)備
循環(huán)泵并聯(lián)試驗臺（系統(tǒng)圖如圖6）
圖6
（1#、2#、3#、4#循環(huán)泵的參數(shù)均為：G=25m?3;/h；H=32m；N=4kw，額定電流7.9A。）
3.2 實驗原理
該實驗相當(dāng)于一個簡單的供熱系統(tǒng)，3#、4#循環(huán)泵為動力設(shè)備，閘閥為外網(wǎng)的閥門，流量計就相當(dāng)于熱用戶。開啟3#循環(huán)泵，通過調(diào)節(jié)閘閥將流量調(diào)到循環(huán)泵的額定流量25m?3;/h，閥門的開度不再變化，記錄流量與揚程（泵進(jìn)、出口壓力）；然后開啟4#循環(huán)泵，此時在記錄循環(huán)泵的兩臺泵并聯(lián)后的流量與揚程，即可確定泵并聯(lián)后流量是否加倍、揚程是否不變。最后兩臺泵仍然工頻運行，調(diào)節(jié)閘閥，記錄流量由零到最大所對應(yīng)的數(shù)據(jù)，將對應(yīng)的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)軸上標(biāo)出并用平滑的曲線連接到一起即為兩臺泵并聯(lián)后的曲線。
3.3 兩臺水泵工頻運行
3.3.1實驗數(shù)據(jù)
同規(guī)格兩臺水泵并聯(lián)運行數(shù)據(jù)見表2
表2
序號 | 流量 G（t/h） | 揚程 H(mH2O) | 電流 I(A) | 凈功率 N(kw) N=2.778GH | 實耗功率 W(kw) W=√3UIcosθ | 效率 η(%) |
1 | 17 | 34 | 11.3 | 1.61 | 5.95 | 27 |
2 | 33 | 32 | 13 | 2.93 | 6.84 | 43 |
3 | 42 | 30 | 14.5 | 3.50 | 7.63 | 46 |
4 | 50 | 28 | 15.3 | 3.89 | 8.06 | 48 |
5 | 63 | 24 | 16.9 | 4.20 | 8.90 | 47 |
6 | 69 | 22 | 17.4 | 4.22 | 9.16 | 46 |
7 | 74.5 | 20 | 18.2 | 4.14 | 9.58 | 43 |
8 | 78.5 | 18 | 18.3 | 3.93 | 9.64 | 41 |
3.3.2 實驗結(jié)論
循環(huán)泵并聯(lián)曲線如下圖7
圖7
效率曲線如下圖8
圖8
通過數(shù)據(jù)及特性曲線可以看出，兩臺同規(guī)格的循環(huán)泵并聯(lián)運行：
（1）在同一揚程下流量疊加；
（2）并聯(lián)后循環(huán)泵的效率發(fā)生變化，兩臺泵并聯(lián)后的高效點稍有降低（2%左右），但高效區(qū)與單臺循環(huán)泵相比要寬很多（兩倍以上），因此說，在要求同樣參數(shù)的情況下，兩臺循環(huán)泵并聯(lián)運行未必就比一臺循環(huán)泵效率低，并很容易在高效區(qū)工作。
有些人認(rèn)為兩臺同規(guī)格的循環(huán)泵并聯(lián)運行，效率降低，這種想法是錯誤的，原因是：
兩臺同規(guī)格的循環(huán)水泵并聯(lián)運行時，其特性曲線由每個揚程相對應(yīng)單臺水泵流量的兩倍(2GB'=GB)為工作點組成。但實際運行時水泵工作點，針對某一熱網(wǎng)，單臺水泵運行時其工作點在A點；當(dāng)兩臺泵運行時流量增加（GB＞GA），揚程增加（HB＞HA），造成了水泵工作點的左移，每臺水泵工作點在B'點（GB'＜GA）。因此兩臺泵運行的流量小于單臺泵運行流量的兩倍，而非效率所致（見圖9）。
圖9
3.4 一臺水泵工頻與一臺水泵變頻運行（水泵參數(shù)仍為以上的水泵）
3.4.1 實驗數(shù)據(jù)（見表3）
表3
總流量(m?3;/h) | 1#水泵工頻運行 | 2#水泵變頻運行 | |||||||
水泵出口壓力（Mpa） | 水泵進(jìn)口壓力（MPa） | 揚程（m） | 電流(A) | 水泵出口壓力（MPa） | 水泵進(jìn)口壓力（MPa） | 揚程（m） | 電流(A) | 變頻數(shù)（Hz） | |
27.0 | 0.59 | 0.26 | 33.0 | 6.5 | 0.59 | 0.26 | 33.0 | 6.1 | 50 |
25.0 | 0.56 | 0.27 | 29.3 | 7.5 | 0.56 | 0.27 | 29.2 | 4.3 | 45 |
22.5 | 0.51 | 0.27 | 24.5 | 8.2 | 0.51 | 0.28 | 23.0 | 3.2 | 40 |
20.5 | 0.49 | 0.28 | 21.0 | 8.5 | 0.48 | 0.29 | 19.0 | 3.3 | 35 |
19.0 | 0.47 | 0.29 | 18.0 | 8.8 | 0.47 | 0.30 | 16.5 | 4.0 | 30 |
18.0 | 0.46 | 0.29 | 17.0 | 9.0 | 0.46 | 0.31 | 15.0 | 5.0 | 25 |
17.0 | 0.45 | 0.30 | 15.0 | 9.1 | 0.45 | 0.30 | 15.0 | 5.6 | 20 |
以上數(shù)據(jù)測試由，1#循環(huán)泵通過調(diào)節(jié)閥門將其工作點達(dá)到其額定工作點（G=25m?3;/h；H=32m），然后開啟2#循環(huán)泵，不再調(diào)節(jié)任何閥門，逐漸降低其頻率而測得的數(shù)據(jù)。通過以上的數(shù)據(jù)表可以分析出，在整個熱網(wǎng)阻力值S不變的情況下，單單從循環(huán)泵調(diào)節(jié)來改變外網(wǎng)供暖效果并不理想，流量不會像人們所想象的一樣，一臺泵工頻運行，其出力不夠再由另一臺變頻泵通過變頻來實現(xiàn)外網(wǎng)流量“缺多少補多少”的目的。由測試數(shù)據(jù)可以看出：隨著變頻泵的頻率的降低，工頻泵的出力越來越大，電流越來越高，甚至嚴(yán)重超過額定電流，時間長了有燒泵的危險。也就是說一臺工頻泵與一臺變頻泵（兩臺泵參數(shù)相同）并聯(lián)運行是不可取的，彼此之間會相互影響！
對于熱網(wǎng)的設(shè)計，都有一個未來規(guī)劃面積，因此循環(huán)泵的選型多數(shù)會按照規(guī)劃面積來與外網(wǎng)匹配，設(shè)計為一用一備或者兩用一備（參數(shù)相同）。而在熱力單位成立初期，負(fù)荷較小，又沒有小規(guī)格循環(huán)泵，只能以“大馬拉小車”的方式運行設(shè)計的循環(huán)泵。只有當(dāng)熱網(wǎng)的負(fù)荷達(dá)到規(guī)劃面積后，設(shè)計的循環(huán)泵才能起到其真正的作用。
因此，在熱網(wǎng)設(shè)計時，建議采用兩種規(guī)格的循環(huán)泵，一臺按照滿負(fù)荷（規(guī)劃面積）的70%設(shè)計（流量、揚程、功率均較?。?；另一臺按照滿負(fù)荷設(shè)計，隨著負(fù)荷的變化運行不同的循環(huán)泵。此時兩臺泵之間互為備用，既減少了初投資的成本，又節(jié)省了電能，（初期負(fù)荷如果較小，可以按照滿負(fù)荷的50%增設(shè)一臺循環(huán)泵）。
4 泵進(jìn)、出口管徑連接管不同所造成的影響
所謂“三分設(shè)備，七分安裝”，用在此處固然有些夸張，但循環(huán)泵作為熱網(wǎng)運行不可或缺的設(shè)備，如果安裝時不擴(kuò)徑，循環(huán)泵出口的阻力損失會很大。
4.1實驗設(shè)備（實驗系統(tǒng)圖10如下）
圖10
（水泵參數(shù)：G=25m?3;/h；H=32m；N=4kw ）
（1#循環(huán)泵在安裝時同徑安裝，且加有止回閥；2#循環(huán)泵在安裝時，泵的進(jìn)、出口管徑規(guī)格全部擴(kuò)大兩號）
4.2實驗原理
開啟1#循環(huán)泵，調(diào)節(jié)壓力表A后的閥門，記錄在不同流量的情況下1#泵出口壓力表與壓力表A的數(shù)值；開啟2#循環(huán)泵，記錄該泵在不同流量情況下的壓力值。通過記錄的數(shù)據(jù)，比較在同流量下，兩泵出口位置的壓力損失。
4.3實驗數(shù)據(jù)（見表4）
表4
1#水泵 | 2#水泵 | |||||||
管網(wǎng)流量（m3/h） | 水泵出口壓力（MPa） | A表壓力（Mpa） | 1#泵出表與A表壓差(mH2O) | 電流(A) | 水泵出口壓力（MPa） | A表壓力（Mpa） | 2#泵出表與A表壓差(mH2O) | 電流(A) |
10.0 | 0.482 | 0.478 | 0.4 | 6.5 | 0.49 | 0.49 | 0 | 6.0 |
15.0 | 0.468 | 0.462 | 0.6 | 6.3 | 0.49 | 0.485 | 0.5 | 6.8 |
20.0 | 0.46 | 0.44 | 2.0 | 7.0 | 0.475 | 0.475 | 0 | 7.0 |
25.0 | 0.448 | 0.418 | 3.0 | 7.5 | 0.45 | 0.448 | 0.2 | 8.0 |
30.0 | 0.425 | 0.39 | 3.5 | 8.0 | 0.44 | 0.44 | 0 | 8.2 |
35.0 | 0.4 | 0.358 | 4.2 | 8.6 | 0.43 | 0.43 | 0 | 8.7 |
注：1#水泵出口裝有止回閥、未變徑；2#水泵出口變徑但未安裝止回閥 |
通過實驗數(shù)據(jù)可以得出：1#泵出口壓力與壓力表A的差值隨著流量的增大而逐漸變大，證明該管段的阻力損失變大，而2#泵出口壓力與壓力表A的差值幾乎為0，最大僅0.5mH2O，因此，循環(huán)泵在安裝時，泵出口需要擴(kuò)徑，盡量不裝止回閥。
通過本文的實驗數(shù)據(jù)和分析可得出如下結(jié)論：水泵變頻應(yīng)不小于40Hz，否則效率降低25%以上；兩臺水泵并聯(lián)，比單臺泵的運行有一定的優(yōu)勢，且效率并不太低，排斥雙泵運行是片面的；工頻泵和變頻泵并聯(lián)運行是不妥當(dāng)?shù)模ゎl泵容易燒電機(jī)；依據(jù)規(guī)劃面積選泵時，宜按全負(fù)荷和70%負(fù)荷選兩臺泵，根據(jù)不同負(fù)荷運行不同的泵，利于運行和節(jié)電；水泵進(jìn)、出口要擴(kuò)管變徑，出口管盡量不裝止回閥，這樣可節(jié)電10%左右?？傊?，在選型、匹配及運行管理方面，都加以研究并加以實施，可以得到節(jié)電和提高經(jīng)濟(jì)效率的目的。以上是我們對水泵的一點體會，拿出來與大家分享，有不妥之處，請大家指教
來源：安迪供熱節(jié)能技術(shù)
