供水系统变频调速节能改造的可行性研究1引言风机和水泵在国民经济各部门的数量众多，分布面极广，耗电量巨大。据有关部门统计，全国风机、水泵电动机装机总容量约为35000MW，耗电量约占全国电力消耗总量的40%左右。目前，风机水泵的耗电量中还有很大的节能潜力，其潜力挖掘的焦点是提高风机和水泵的运行效率。据估计，提高风机和水泵系统运行效率的节能潜力可达300～500亿kW·h/年，相当于6～10个装机容量为1000MW级的大型火力发电厂的年发电总量。离心式的风机水泵的负载特性属平方转矩型的负载，即其轴上需要提供的转矩与转速的二次方成正比。风机水泵在满足三个相似条件：几何相似、运动相似和动力相似的情况下遵循相似定律；对于同一台风机（或水泵）。当输送流体的密度ρ不变仅转速改变时，其性能参数的变化遵循比例定律：流量与转速的一次方成正比；压头（扬程）与转速的二次方成正比；轴功率则与转速的三次方成正比。如果水泵转速是其额定转速的50%时，则功耗只有额定值的12.5%，节能率可达87.5%。果真如此吗？否。风机水泵比例定律的三大关系式的使用是有条件的，在实际使用中，风机水泵由于受系统参数和运行工况的限制，并不能简单地套用比例定律来计算调速范围和估算节能效果，而应将实际工况转化为相似工况后，才能用比例定律进行计算。其结果的差别还是很大的。作为变频器的生产厂家，特别是专门研究变频控制的专家学者，必须明明白白地告诉用户，风机水泵的变频节能到底是怎么一回事，而不能有意无意地误导读者，片面夸大节能效果。2风机水泵的相似定律2.1风机（水泵）的几何相似，运动相似和动力相似两台泵（风机）若几何相似，就是说它们的形状完全相同，只是大小不同，其中一台泵（风机）相当于另一台泵（风机）按一定比例的放大或缩小。举个形象的例子：两张不同比例尺的中国地图，它是几何相似的，但大小相差一定的倍数。应指出的是：本书所说的两泵（风机）几何相似，是指通流部分的几何相似，并不是要求泵（风机）之间的轮廓外形也必须几何相似。两台泵（风机）的运动相似是指两台几何相似泵（风机）通流部分各对应点的速度三角形相似。显然，只有当两台泵（风机）的通流部分几何相似，才有可能运动相似，但满足几何相似条件的，不一定满足运动相似的条件，只有当两台几何相似泵（风机）都在相似工况点运行时（例如：都运行在最高效率工况点时），才是运动相似，所以运动相似又称工况相似。两台风机（水泵）的动力相似则是指作用于两台泵（风机）内各对应点上力的方向相同，大小成比例。作用于泵（风机）内流体的力主要有惯性力、粘性力的总压力。因此，为使泵（风机）中的动力相似，必须对应点上的惯性力与弹性力（或压力与密度）之比相等，惯性力与粘性力之比相等。2.2离心式风机（水泵）的相似定律叶片式泵与风机的相似定律是两台泵（或风机）在满足几何相似和运动相似的前提下导出的。它给出几何相似的泵（或风机），在相似工况点的流量之间、扬程（或全压）之间、功率之间的相互关系为：即把泵的线性尺寸几何相似地均放大一倍时，对应工况点的流量、扬程、轴功率将各增到原来的8倍、4倍和32倍。例2某台离心式风机采用变速调节方式，当其转速降低到原来额定转速的一半时，其对应工况点的流量、全压、轴功率各降到原额定转速时的多少倍？（设气体密度不变）解由比例定律式（7）~式（9）得即当风机的转速降低到原额定转速的一半时，对应工况点的流量、全压、轴功率各下降到原来的1/2、1/4和1/8，换句话说，用变速调节方式调节流量可使轴功率值大大下降，这也就是变速调节方式可以大幅度节电的原因。应该指出的是本题中的n＇/n=2＞1.3，所以计算的结果可能会有一定误差。例3已知Y4-73No28型锅炉引风机在抽送140oC的烟气时所需的轴功率为636kW，试问若用以输送20oC的空气时所需的轴功率为多少？已知烟气在140oC时的密度为0.85kg/m3，空气在20oC时的密度为1.2kg/m3。解由相似定律（3-8）得在20oC空气时风机所消耗的轴功率p为：故在考虑引风机电动机的功率时，应注意到引风机在冷态起动时所需的轴功率值。2.3求出几何相似风机（水泵）之间的相似工况点。相似定律只适用于几何相似泵（风机）对应工况点之间的关系，因此，在应用相似定律之前，需要先找到对应工况点关系。对应工况点又称相似工况点，可以通过下面两种方法求几何相似泵（风机）的相似工况点。（1）根据相似工况点的效率相等求相似工况点间的关系，相似定律式（4）~式（6）是在假设相似工况点各效率对应相等的前提下得出的，这就是说，相似工况点的效率必相等。下面根据这一思路求相似工况点间的关系。两台几何相似泵（风机）的最高效率是相等的，且每台泵（风机）都只有一个最高效率点，所以各几何相似泵（风机）的最高效率点是相似工况点；