姜校林（1962－）

    男，工學(xué)碩士，高級工程師，從事產(chǎn)品研發(fā)工作，發(fā)表論文6篇，獲省、部級科學(xué)進(jìn)步二等獎1項(xiàng)，發(fā)明和實(shí)用新型專利8項(xiàng)。

用變頻器帶動水泵（指離心式泵，下同）供水，其最基本的目的是節(jié)能。然而由于變速節(jié)能機(jī)理的復(fù)雜性，一部分人對該技術(shù)的認(rèn)識還不全面，因錯誤理解和變速泵生產(chǎn)廠家的片面宣傳，導(dǎo)致亂改（將水塔供水改為無塔變速泵直接供水）、亂上變速供水設(shè)備的現(xiàn)象屢見不鮮。本文的目的是要重新探討變速泵的節(jié)能機(jī)理，同時(shí)指出當(dāng)前對變速泵節(jié)能理論存在的幾個(gè)誤區(qū)，為今后正確選用變速供水設(shè)備，提供正確的理論依據(jù)。

1  供水系統(tǒng)的基本理論

1.1  基本概念

(1)  水泵輸出特性：當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速一定時(shí)，水泵輸出流量與輸出壓力之間的關(guān)系，即水泵的H-Q曲線。水泵不同的轉(zhuǎn)速對應(yīng)不同的H-Q曲線，因此變水泵輸出特性曲線為一曲線簇。水泵在額定轉(zhuǎn)速下的H-Q輸出特性曲線（稱之為外特性曲線，并設(shè)其所對應(yīng)的方程為H=f0(Q)）由水泵生產(chǎn)廠家給出，水泵在任意轉(zhuǎn)速n時(shí)的輸出特性曲線可由水泵相似定律公式，并利用水泵的外特性曲線參數(shù)繪出。相似定律公式為：

        ；

上式中n0為水泵的額定轉(zhuǎn)速，Q0、H0分別為在額定轉(zhuǎn)速下，輸出特性曲線上任意一點(diǎn)所對應(yīng)的水泵流量和壓力。顯然Q0、H0應(yīng)滿足方程H0=f0(Q0)。

需要特別強(qiáng)調(diào)的是，水泵的相似定律是描述水泵自身性質(zhì)相似關(guān)系的表達(dá)式，通過它可以求得水泵在不同轉(zhuǎn)速下的H-Q輸出特性曲線，但不能用相似定律來確定水泵的輸出流量、壓力和功率，水泵輸出流量、壓力和功率的多少，取決于供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)的具體位置。

(2)  管道輸入特性：當(dāng)管道參數(shù)（管道直徑、長度、形狀、材質(zhì)、閥門開度等）一定時(shí)，流經(jīng)管道的流量與管道輸入口所加的壓力之間的關(guān)系。

管道輸入特性可由下式給出：H=H靜＋K Q2

式中：H靜―管道入口處的靜壓值，對供水而言，為管道入水口到用水最高點(diǎn)的高度所產(chǎn)生的靜壓值；K―管道阻力系數(shù)。

顯然，管道輸入特性曲線為二次拋物線，若改變閥門開度，則K值即變。閥門開度越小，K值越大，二次拋物線越靠近Y軸方向。當(dāng)閥門開度為零時(shí)，K→∞，此時(shí)拋物線與Y軸重合，供水系統(tǒng)表現(xiàn)的特征為無流量輸出。K值越小，二次拋物線越靠近X軸方向。當(dāng)閥門全開時(shí)，K達(dá)到最小值Kmin（只要有管路存在，Kmin≠0），所以變閥門開度的管道輸入特性曲線也為一拋物線簇。該曲線簇的左端交匯坐標(biāo)為（0，H靜）的點(diǎn)。

(3)  供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)

所謂供水系統(tǒng)就是將水泵與供水管道連接起來，組成具有供水功能的系統(tǒng)，如圖1所示（雙點(diǎn)劃線的左端為水泵，右端為供水管道）。所謂供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)是指供水系統(tǒng)在工作中，水泵的實(shí)際輸出流量和輸出壓力的具體數(shù)值。確定供水系統(tǒng)工作點(diǎn)的方法是將水泵輸出特性曲線H=f(Q)與管道輸入特性曲線H=H靜＋KQ2，繪制在同一個(gè)H-Q的坐標(biāo)系中，二曲線的交點(diǎn)即為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)。該點(diǎn)所對應(yīng)的流量值與壓力值，即為水泵出水流量Q和水泵出壓力H的數(shù)值。

圖1  水泵、管道、供水系統(tǒng)的定義
 

   圖2  供水系統(tǒng)工作點(diǎn)的確定

如圖2所示，確定兩曲線的交點(diǎn)為供水系統(tǒng)工作點(diǎn)的機(jī)理是：只有在這一點(diǎn)上，它們具有相同的壓力和相同的流量，具有穩(wěn)定的工作狀態(tài)。若工作點(diǎn)不是在交點(diǎn)處，而是在交點(diǎn)的左側(cè)，則水泵產(chǎn)生的壓力就會高于管道阻力，實(shí)際輸出的流量就會增加，其結(jié)果就會導(dǎo)致工作點(diǎn)的右移，直至到達(dá)交點(diǎn)處二者的壓力相等為止。工作點(diǎn)不會在交點(diǎn)的右側(cè)，因?yàn)榇藭r(shí)水泵提供的壓力會小于管道所需要的壓力，系統(tǒng)將無法運(yùn)行。實(shí)際上，確定二曲線的交點(diǎn)為供水系統(tǒng)工作點(diǎn)的原理，是牛頓力學(xué)理論在流體運(yùn)動中具體應(yīng)用的結(jié)果。

顯然，供水系統(tǒng)的工作過程是由無數(shù)個(gè)連續(xù)的工作點(diǎn)構(gòu)成的，因此要了解供水系統(tǒng)的工作過程和水泵能耗，先要正確求出供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)。 

圖3  水泵水塔式供水工作軌跡線

      圖4  恒速泵供水系統(tǒng)工作軌跡線

1.2  供水系統(tǒng)工作過程的描述

如上所述，供水系統(tǒng)的工作過程可用連續(xù)的工作點(diǎn)來描述，也就是用工作點(diǎn)的軌跡線（以下簡稱工作軌跡線）來描述，用工作軌跡線描述的好處是可以直觀方便的了解供水系統(tǒng)的全過程。

(1)  水泵―高位水塔（箱）供水系統(tǒng)

該種供水俗稱有塔供水，是目前最為典型的供水形式。其特點(diǎn)是水泵恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，管道阻力系數(shù)不變。水塔內(nèi)水面上升到上限則停機(jī)，水面下降到下限則開機(jī)，水泵間歇工作。工作點(diǎn)的確定如圖3所示。由圖3可見，工作過程始終為一個(gè)點(diǎn)，故其工作軌跡線也為一個(gè)點(diǎn)。因此只要設(shè)計(jì)合理，工作點(diǎn)匹配正確，可始終保持水泵在最高效率狀態(tài)。因此這是目前最合理、工作性能最可靠的供水方式，是變頻恒壓、變頻變壓供水在節(jié)能、可靠性等方面與之無法相比的。

(2)  無塔供水系統(tǒng)

目前主要有以下幾種：

?  采用閥門調(diào)節(jié)水量的恒速泵供水系統(tǒng)（簡稱恒速泵供水系統(tǒng)）

工作點(diǎn)的確定如圖4所示。因不同的閥門開度對應(yīng)不同的管道阻力系數(shù)（K值），也即對應(yīng)不同的管道輸入特性曲線。閥門開度變小（K值增加），管道輸入特性曲線變得陡峭，其與水泵的外特性曲線的交點(diǎn)（工作點(diǎn)）向左上方移動，因此流量減少。反之，閥門開度變大（K值減少），管道輸入特性曲線變得平緩，與水泵外特性曲線的交點(diǎn)（工作點(diǎn)）向右下方移動，流量增加。

由圖4可見，無論閥門的開度怎樣變化，工作點(diǎn)始終在水泵的外特性曲線上移動，故該工作軌跡線即為水泵的外特性曲線。

圖5  變頻變壓供水工作軌跡線 

 

 圖6  變頻恒壓供水工作軌跡線

?  采用管道性質(zhì)不變的變速泵調(diào)節(jié)水量的供水系統(tǒng)（簡稱變頻變壓供水系統(tǒng)）

因管道的性質(zhì)不變，故只有一條管道輸入特性曲線。因水泵變速調(diào)節(jié)，所以水泵的特性曲線為一曲線簇，工作點(diǎn)的確定如圖5所示。由圖5可見，不同的水泵轉(zhuǎn)速對應(yīng)不同的輸出特性曲線，系統(tǒng)的工作點(diǎn)也隨之變動。轉(zhuǎn)速降低時(shí)，工作點(diǎn)往左下方移動，流量降低；反之，轉(zhuǎn)速增高時(shí)，工作點(diǎn)往右上方移動，流量增大。所以用改變水泵轉(zhuǎn)速的方法可以起到調(diào)節(jié)流量的作用。

由圖5可見，無論供水量怎樣變化，工作點(diǎn)始終在管道的輸入特性曲線上移動，因此該工作軌跡線即為管道的輸入特性曲線。

?  采用變速泵與變閥門開度的恒壓供水系統(tǒng)（簡稱變頻恒壓供水系統(tǒng)）

采取的方法是在水泵的出水口或是在用戶的最不利點(diǎn)處裝一壓力傳感器，用微機(jī)自動控制變頻泵的轉(zhuǎn)速，使水泵的出水口或是最不利點(diǎn)處的壓力恒定，現(xiàn)行生活小區(qū)使用的變頻供水設(shè)備均屬于這一種。

由于最不利點(diǎn)處往往遠(yuǎn)離供水設(shè)備，在該點(diǎn)處安裝壓力傳感器實(shí)施的難度很大，實(shí)際中絕大多數(shù)變頻恒壓供水設(shè)備采用前者，因此以下只將前者作為討論的對象。

顯然，在Q-H坐標(biāo)系中，設(shè)定的恒壓值，其圖像為一水平直線，如圖6