符永正 (武漢冶金科技大學環境工程系)

　　泵與風機的變速調節因具有顯著的節能效益，得到了越來越廣泛的應用。但一個值得注意的問題是：變速調節的節能效益與管路特性具有密切的關系，也就是說不同的管路特性，變速調節的節能效益不同。甚至對于某些管路系統，若把變速裝置的效率考慮在內，采用變速調節與采用節流調節相比，不但不節能，反而耗能更多。因此，搞清楚管路特性對泵與風機變速調節節能效益的影響，對于正確運用變速調節是必要的。

1 無背壓系統的變速節能

　　無背壓系統即流體通過泵或風機的能量增值全部用于克服管路阻力的系統，如通風系統、空調冷卻水系統、熱水采暖系統及其他液體閉式循環系統等。這種系統的管路特性曲線為：

　　H＝SQ²
　　式中：Q--流量
　　　　　H--對于泵為揚程，對于風機為壓頭
　　　　　S--阻力系數

　　對于無背壓系統，管路特性曲線與泵(或風機)的相似工況線重合，泵(或風機)轉速改變前后的兩種工況是相似工況，工況參數符合如下的相似律：
　　Q₂/Q₁＝n₂/n₁ (1)
　　H₂/H₁＝(n₂/n₁)² (2)
　　N₂/N₁＝(n₂/n₁)³ (3)
　　式中　n--轉速?
　　　　　N--軸功率
　　顯而易見，對于這種系統，隨著所需流量的改變，轉速應與流量同比例改變，而功率則與轉速的3次方成比例改變。比如所需流量減少為50%，轉速亦應減為50%，而功率則減為(0.5)³＝12.5%。這是與原工況比較，而所謂的節能是指在達到同樣的調節目的的情況下，變速調節與其他調節方式相比的能耗減少，并主要是與節流調節相比較,這是因為節流調節最簡單，應用也最普遍。
　　如圖1所示，A為設計工況，轉速為n1，流量為Q1。現需把流量改變為Q2，若采用變速調節，工況點為B；若采用節流調節，工況點為C。直觀地看，兩工況流量相等，而揚程B與C相比有所降低。又因為A工況為設計工況，應在高效率區，B為A的相似工況，效率與A工況相等，所以一般而言，應用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量）可知，一般情況下B與C相比，功率至少應用與揚程同等幅度的降低。

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

2 有背壓系統的變速節能

　　有背壓系統即流體通過泵或風機的能量增值，一部分用于克服管路阻力，一部分用于提升流體勢能(包括位能和壓力能)的系統，如高塔供水系統、高層建筑供水系統、鍋爐及壓力容器非循環式供水系統等。這種系統的特性曲線為H＝H₀+SQ²，式中H₀為流體通過系統的勢能提升，稱為背壓。對于這種系統，泵或風機變速前后工況不相似，所以工況參數不符合相似律，功律與轉速之間也不存在簡單的函數關系。?
　　對于有背壓系統，背壓H₀的大小對于變速調節的節能效益有較大的影響。為便于說明比較，假設同一型號的泵在三個不同的系統中工作，并且具有相同的設計工況。三個不同的系統分別為：
?　　　　H＝S₀Q² (H₀＝0)?
　　　　?H＝H₁+S₁Q² (H₀＝H₁)?
　　　　?H＝H₂+S₂Q² (H0＝H2)?
　　如圖2所示，設計工況為A，對應的轉速為n₁，流量為Q₁。現要求把流量調節為Q₂，若采用變速調節，三個系統的工況分別為D、E、F；若采用節流調節，工況均為G。

?

　　直觀地看，若設計工況A在高效率區，應有N_D＜N_E＜N_F＜N_G。作為驗證，并有一個量的概念，這里也給出一個計算實例。?
　　選擇上海凱泉水泵廠生產的ISG150-400型立式離心式水泵，以產品說明書中給出的性能曲線為依據，選定Q₁、Q₂和H₁、H₂之后，計算D、E、F、G點的工況參數及功率：?
　　①取Q₁＝0.06m³/s,查得H_A＝470kPa,η_A＝74%。?
　　②取H₁＝196 kPa，H₂＝441 kPa，則由于三個系統的管路特性曲線均過A點，可算得：?
　　　　　　?S₀＝13.1×10⁴kPa(m³/s)²
　　　　　　?S₁＝7.6×10⁴kPa(m³/s)²?
　　　　　　?S₂＝0.82×10⁴kPa(m³/s)²?
　　即三個系統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)?
　　③確定Q2之后，即可通過計算或查性能曲線確定D、E、F、G點的工況參數。由于D與A兩工況相似，所以可根據相似律計算D工況的揚程和轉速，D工況的效率與A工況相等。G工況的揚程和效率可查性能曲線。E、F工況的揚程由式(5)、(6)計算得到，E、F工況的效率和轉速的確定方法以E工況為例說明如下：a.根據E工況的流量Q₂和揚程H_E，可求出過E點的相似拋物線為 H=[H_Ｅ/(Q₂)²]Q²，即圖2中的O-E-P曲線；b.此拋物線與原轉速n₁所對應的性能曲線的交點P與E為相似工況；c.E工況的轉速為n₃＝Q_E/Q_P＝n₁；d.在原轉速n₁所對應的效率曲線上，查出P點的效率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。

　　從表中數據不難得到：若以節流調節工況G的功率為100%，則變速調節工況D、E、F的功率在Q₂＝0.75 Q₁時，依次為49.7%、66.4%、88.3%；在Q₂＝0.5Q₁時依次為17.1%、44.5%、83.4%。這個結果說明：
　　無論背壓大小，各系統采用變速調節與采用節流調節相比，軸功率都有所減少，但減少的幅度不同。無背壓系統減少的幅度最大，隨著背壓的增大，減少的幅度越來越小。也就是說，無背壓系統采用變速調節的節能效益最好，隨著背壓的增大，變速調節的軸功率逐漸趨近于節流調節，變速調節的節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，變速調節的實際能耗就會很接近、甚至可能超過節流調節的能耗。以效率較高、目前應用較多的變頻調速裝置為例，效率約在0.8～0.9^［1］，如果把這個效率考慮在內，F工況的能耗就會很接近、甚至可能超過G工況的能耗。也就是說，對于管路系統H＝441+0.82×10⁴Q₂，變速調節就失去了節能的意義。

3 結論

　　①無背壓系統采用變速調節具有顯著的節能效益。?
　　②有背壓系統采用變速調節，隨著背壓的增大，節能效益逐漸降低。背壓增大到一定程度，能耗與采用節流調節相差無幾，就失去了節能意義，甚至會出現耗能更多的情況。?
　　③因為采用變速調節增大了系統的投資，所以對有背壓系統采用變速調節，必須針對具體情況進行認真的計算和分析，才能對其是否節能、是否經濟做出正確的結論。??

參考文獻

　　1　上海經委節能辦公室等?風機水泵調速節能手冊?機械工業出版社，1987.18?
　　2　周謨仁?流體力學泵與風機?中國建筑工業出版社，1985