离心泵特性曲线和转速

现有两台市水泵，一台功率18.5kw,另一台11kw,两台泵扬程相同，可否并联运行于同一个管路中，有人说“大机拖小机“不行，又有人说可以的，烦请各位帮忙指教，谢谢！

供水系统中调速水泵有关问题的探讨

作者：覃正清

时间：2003年3月24日

1、前言

水泵调速技术已经存在多年，早期主要是一些低压水泵采用低压变频器进行调速，因为成本不高，所以采用比较普遍。而对于高压水泵的调速，早期还大多是采用液力偶合器、串级调速等传统方法来实现。随着高压大功率变频器的出现，目前采用高压变频器对高压水泵进行调速逐渐成为一种趋势。由于高压变频器目前成本相对较高，许多供水行业的人士出于投资回收考虑，对水泵调速这项技术本身及其可以取得的效益都比较关心，经常有如下一些疑惑：

a供水系统一般多台水泵并联运行，设计原则是同压头水泵并联，同流量水泵串联。而调速泵速度降低后，按一般常理认为，其输出水压将降低，那么调速泵如何再与其他工频泵并联，是否有内耗存在？

b常说水泵流量和转速成正比，压力和转速平方成正比，其功率则和转速立方成正比，也就是说水泵的功耗是按流量的立方关系变化的，假设水泵流量调到一半时，水泵的轴功率只有满流量时的12.5%，省电应达到87.5%，可为什么实际系统的节能效果远不是这样？到底怎样预估一个水泵调速系统的节能潜力？ c调速水泵和工频水泵并联运行时，调速水泵能否无限制往下调速？调速泵是不是转速到0时流量才为0？并联工频水泵会不会过流？调速泵会不会水流倒惯？调速时应注意什么问题？

d水泵调速方法有哪些？究竟什么方式比较可取？对水泵进行调速改造，除了节能，到底还能有什么其他效益？

本文将从水泵的工作特性出发，解释和回答这些问题，不对之处，欢迎专家指正。

2、水泵的工作特性

图（1）

水泵定速工作时，工作特性如图（1）所示。曲线①为水泵按转速N1定速工作时的Q-H曲线，曲线②③为管路特性曲线。

在第一种负载工况下，水泵工作在A点，流量为Q1，压力为H1。当流量减为Q2时，水压将上升到H2，水泵工作在B点。水压的上升，一方面存在不必要的电耗，另一方面也可能威胁到供水管网的安全。

从水泵定速工作特性曲线看出，尽管水泵工作转速不变，但只要管网特性发生变化（曲线②变为曲线③），那么水泵的工作点是发生变化的，其流量和压力也随之变化。换言之，水泵的输出压力并不只是转速的单值函数。

在自来水行业，流量的减少是因为夜间用户关阀，管网特性曲线发生了变化，曲线②变为曲线③，流量由Q1降为Q2。为了防止管网水压的上升威胁到管网安全，可以调节水泵出口阀门或者改开小泵。

在一些化工生产、制冷等行业，流量的减少是因为生产工艺的需要，这时可以调节水泵输出阀门，人为改变管网特性，使水泵工作点由A点变到B点，从而达到主动调节流量的目的。

图（2）

图（2）示出了水泵调速运行时，水泵工作特性的变化情况，曲线①②③分别为水泵按N1 、N3和N2三种速度运行时的特性曲线，曲线④⑤为管网特性曲线。如果管网特性不变，保持为曲线④，水泵由N1转速调节到N2速运行时，水泵的工作点将由A点变到B点，流量和水压分别变到Q2和H2，它们都随着转速的下降而下降。负载特性不变时，水泵的流量Q、水压H、轴功率P和转速N之间满足如下关系：

Q∝N，H∝N2,P∝N3。

但如果是外界因素导致管网特性发生变化（由曲线④变为曲线⑤），使得流量减少为Q2，但又要维持水压不变，这时水泵可以将速度调节到N3运行，从工作曲线中可以看出，水泵的转速和输出流量下降，但水泵的输出压力却保持不变，这就是为什么流量变化时，可以通过调节水泵转速实现恒压供水的理论依据。这种情况下，由于管网特性的改变，水泵的流量Q、水压H、轴功率P和转速N之间不再满足Q∝N、H∝N2、P∝N3的关系，并不是转速下降其水压就下降，水泵速度下降且其分担的流量下降后，只要其输出水压不变，就可以和其他高速水泵并联运行。

3、水泵调速运行的轴功率

3．1管路特性不变

管路特性不变时，水压随流量的变化而变化，调速时只对流量作要求，对水压不作要求，这时水泵的工作情况如图（3）所示：

图（3）

从图可见，需要流量下降时，将水泵速度由N1下调为N2,则水泵工作点由A点变为B点，流量由Q1变为Q2，压力由H1变为H2，水泵在A、B两个工作点的输出功率PA和PB分别为: PA=H1×Q1, PB=H2×Q2

从上式看出，如果转速降为50%，则水泵输出功率下降为12.5％；如果在A、B两点水泵的效率差别不大，则水泵的输入功率也大大下降。

3．2调速时要求水压恒定

图（4）

在图（4）这种工况下，水泵速度由N1调到N2,工作点由A点变到B点，流量由Q1变到Q2，水压保持不变，H1＝H2。水泵在A、B两点的输出功率PA＝H1×Q1，PB＝H2×Q2。

PAPB = H1×Q1H2×Q2 =Q1 Q2

这种情况下，水泵输出功率和流量成正比。（注意：水泵输出功率不和转速成正比，因为管路特性已变化，Q1不正比于N1，Q2不正比于N2。）这种工况下类似自来水行业。用户用水量由Q1下降为Q2（用水量下降是用户关阀引起的管路特性发生变化，由特性曲线（1）变为曲线（2）仍需水压保持恒定。

4、水泵调速运行的节能效益

4．1管路特性不变

图（5）

外部管路特性不变。如果通过水泵调速方式改变流量，按工作点由A点降到B点；如果水泵定速运行，通过阀门改变流量，则水泵从A点变为C点。水泵在

B、C两工作点的输出功率和输出功率差分别为：PC=H3×Q2, PB =H2×Q2； 假设水泵在B、C两点效率差别不大，都约为η，则调速方式相对于关阀方式，节能效益 ΔP＝(H3－H2) Q2 η 。

4．2管路特性变化而调速时要求水压恒定

图（6）

流量由Q1变为Q2时，如果水泵定速运行，工作点将由A变为C点；如果通过调速方式，水泵工作点将由A变为B点。水泵在B、C两点的输出功率差为： PC

－PB＝（H3－H2）×Q2。假设水泵在B、C两个工作点的效率差别不大，都为η，则水泵输入功率差

ΔP＝(H3－H2) Q2 η 。

5、水泵调速运行节能效益计算实例

水泵调速节能效益与水泵的特性、运行方式、电费水平等多种因素有关，由于这些因素在不同场合下千差万别，计算节能效益时对工况作如下假设：

水泵功率为1000KW，年运行时间8000小时，其中1600小时（即20%时间）为100%流量，4000小时（即50%时间）为70%流量，2400小时（即30%时间）为50%流量，调速装置效率为96%，假设水泵流量Q和压力H在采用阀门调节流量时近似满足如下关系：H=A-(A-1)Q2，其中A为水泵出口封闭时的出口压力，假设为140%，假设电费为1元/度。

5．1采用阀门调节时电耗计算

采用阀门调节流量时，功耗等于流量Q和压力H的乘积。各种流量的功耗计算如下：

P100%=1000KW

P70%=1000×0.7×（1.4-0.4×0.7×0.7）=842.8KW

P50%=1000×0.5×（1.4-0.4×0.5×0.5）=650KW

电费计算如下：1000×1600+842.8×4000+650×2400=6531200度，一年电费约653万元。

5．2采用调速且要求水压恒定时电耗计算

采用调速水泵调节流量时，如果需要压力恒定，则功耗仍然按流量Q和压力H的乘积计算。各种流量的功耗计算如下（其中0.96为调速装置效率）： P100%=1000/0.96=1041KW

P70%=1000×0.7×1/0.96=729KW

P50%=1000×0.5×1/0.96=521KW

电费计算如下：1041×1600+729×4000+521×2400=5830000度，一年耗电费约583万元。

流量变化时，如果要求压力不变，相对于用阀门调节流量，采用变频器调节流量后，一年可以节省电费约653-583=90万元，节电量约为13.8%。

5．3采用调速且管路特性不变时的电耗计算

采用调速水泵调节流量时，如果没有压力要求，即假定外部管阻特性不变，则功耗正比于流量的立方。各种流量的功耗计算如下（其中0.96为变频器效率）： P100%=1000KW

P70%=1000×0.73/0.96=357.3KW

P50%=1000×0.53/0.96=130.2KW

电费计算如下：1000×1600+357.3×4000+130.2×2400=3341680度，一年

耗电费约334.1万元。

流量变化时，如果外部管阻特性不变（即流量小时，压力也小，调速时对压力不作要求），相对于用阀门调节流量，采用变频器调节流量后，一年可以节省电费约653-334=319万元，节电量达到48.8%。

从计算中可以看出，如果水泵依据流量需求而调速，对水压不作要求的工况，其节能效果大大好于要求水压恒定的工况。仿照以上计算方法，用户可以根据自己实际的水泵容量、供水工况及电费水平，直接预估出调速后的节能效益。

6、调速泵和工频水泵的并联运行

6．1多泵并联时，调速泵实现流量调节的图示

水泵不管全速运行或调速运行，总满足以下的特性关系：

图（7）

图（7）中绘出水泵分别以不同速度 (n1>n2>n3>n4)运行的H_Q特性曲线，纵坐标H表示水泵出口水压，横坐标Q代表水泵流量。从H_Q曲线看出：

a水泵定速运行时，如果其流量减小，水泵出口水压将增大。如A、B两点，水泵以恒定速度n1运行，当该泵流量由 Q2下降到Q1时，该水泵出口水压将由H2上升到H1。

b如果水泵的流量相同，水泵高速运行时的出口水压高于低速运行时出口水压。如A、D两点。

c水泵降速运行时，如果其流量比高速运行时减小，则可以和高速运行时有相同的出口水压值。如B、C两点。

两台一样的水泵，分别以不同速度运行，如果各自流量不同，仍可以有相同的出口水压值，可以直接并联运行。

假如当前管网总流量为Q2+Q3，管网水压为H2，由两台水泵并联供水(多台并联时很容易类推)。定速泵以n1速度运行，达到出口压力H2时提供的流量为Q2，运行于B点。调速泵以n2速度运行，达到出口压力H2时提供的流量为Q3，系统达到平衡。

如果由于工况变化，管网总流量变为Q2+Q4，仍要保持管网水压为H2，由两台水泵并联供水(多台并联时很容易类推)。定速泵还以n1速度运行，达到出口压力H2时提供的流量为Q2，运行于B点。而调速泵降速到n3速度运行，达到出口压力H2时提供的流量为Q4，运行于E点。系统达到新的平衡。

在以上两种工况中，两台水泵的出口压力也完全一致，直接并联运行，不会有所谓的内耗存在。

1、当假定泵的效率不变时，泵的流量、压头、轴功率与转速的关系可近似用比例定律计算，即

Q2/Q1=n2/n1，H2/H1=（n2/n1）²，N2/N1=（n2/n1）³

式中：Q1、H1、N1

离心泵转速为n1

时的流量、扬程和功率。

Q2、H2、N2

离心泵转速为n2

时的流量、扬程和功率。

上面的一组公式称为比例定律。当转速变化小于20%时，可认为效率不变，用其进行计算误差不大。

泵控技术-变频恒压型水泵控制器节能原理 “LPC-泵控技术”采用先进的节能控制技术,使用V/F变频节能控制方式，可实现水泵电机的高效率运行、根据负载情况，自动优化，实现节能运行。“LPC-泵控技术”变频恒压型能快速稳定的自动观测用水使用情况，根据用户用水情况自动调节运行方式和输出频率，水泵运行在变频控制方式，电机冲击电流几乎为零。高效节能,节能达到30%以上。水泵主要的组成部分就是电动机。因此水泵在一定程度上总耗电量还是比较大。我国电动机总装机容量约 5.8 亿千瓦,占全国总耗电量的 60%～70%。其中,交流电动机占 90%左右。专家分析,目前各类电机的运行效率加权平均比国外低 3～5 个百分点,风机和泵的效率要比发达国家低 2%～3%,整体在用的电机驱动系统运行效率比国外低近 20%。如果按电动机总容量的 10%进行调速改造,按年平均运行 4000 时、节电率 20%～25%计算,年节电潜力为 320 亿～400 亿千瓦时。加上为改善工艺流程而进行调速改造的电动机可带来的节电潜力,总节电潜力约为 500 亿千瓦时,相当于 10000 兆瓦装机容量的火力发电厂的年发电量。我国能源形势日趋紧张，中国的 GDP 仅占世界的 4% ，而耗电量占世界的 10% ，每年有 2.5 个三峡发电量被白白地浪费掉，国家大力倡导建设节约型社会。据统计，我国发电量的 60% 用于交流电动机，用于交流电机的这部分电力又有 70 ％用于高压电动机。“LPC-泵控技术”变频恒压型变频调速技术的基本原理是根据水泵电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n =60 f（1-s）／p，（式中 n、f、s、p 分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）由流体力学可知，水泵流量 Q 与转速的一次方成正比，压力 H 与转速的平方成正比，轴功率 P 与转速的立方成正比，即 Q∝n ，H∝n2，P∝n3 当流量减少，水泵转速下降时，其功率下降很多。例如水泵流量下降到 80%，转速也下降到 80%时，则轴功率下降到额定功率的 51%；如流量量下降到 50%，功率 P 可下降到额定功率的 13%，当然由于实际工况的影响，节能的实际值不会有这么明显，即使这样，水泵节能的效果也是十分明显的。因此在水泵的机械设备中，采用“LPC-泵控技术”变频恒压型水泵智能控制保护器来调节流量，在节能上是一个最有效的方法。水泵电机转速与LPC节能率的关系表频率 f（Hz） 转速 N% 流量 Q% 压力 H% 轴功率 P% 节电率 上图中曲线 1 为水泵在恒速下压力 H 和流量 Q 的特性曲线，曲线 2 是管网水阻特性（阀门开度为 100%）。假设水泵在设计时工作在 A 点的效率最高，输出流量 Q1 为 100%，此时的轴功率 P1=Q1*H1 与面积 AH10Q1 成正比。根据工艺要求，当流量需从 Q1 减少到 Q2（例如 70%）时，如采用调节阀门的方法相当于增加了管网阻力，使管网阻力特性变到为 2, 压力 H 和流量 Q 的特性曲线为 3，系统由原来的工况 A 点变到新的工况B 点运行，由图中可以看出，压力反而增加了，轴功率 P2 与面积 BH20Q2 成正比，减少不多。如果采用“LPC-泵控技术”变频恒压型水泵智能控制保护器，将水泵转速由N1降到N2，根据水泵的比例定律，可以画出在转速N2下压力H和流量Q特性如曲线4所示，可见在满足同样流量Q2的情况下，风压H3将大幅度降低，功率P3（相等于面积CH30Q2）也随着显著减少，节省的功率△P=△HQ2与面积BH2H3C成正比，节能的效果是十分明显的。泵类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在启动电流大、机械冲击电气保护特性差等缺点，不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作，保护设备时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。而艾丽声泵控技术开发的的“LPC-泵控技术”变频恒压型水泵智能控制保护器正是顺应了工业生产自动化发展的要求开创了一个全新的智能水泵时代一改普通水泵只能以定速方式运行的陈旧模式。使得水泵及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电机功耗达到系统高效运行的目的。

没有什么关系。一般水泵的转速是恒定的，基本上都是2900r/min，因此泵的转速和流量没有关系。要改变泵的转速实质上是改变泵的特性曲线，这方法需要变速装置或价格昂贵的变速原动机，且难以做到连续调节流量，故工业生产中很少采用。要增加流量，可以增加泵的功率。

扩展资料

改变泵出口管线上的阀门开关，其实质是改变管路特性曲线。当阀门关小时，管路的局部阻力加大，管路特性曲线变陡，流量减小。当阀门开大时，管路阻力减小，管路特性曲线变得平坦一些，流量加大。

用阀门调节流量迅速方便，且流量可以连续变化，适合化工连续生产的特点。所以应用十分广泛。缺点是阀门关小时，阻力损失加大，能量消耗增多，很不经济。

改变泵的转速实质上是改变泵的特性曲线。泵原来转速为n，工作点为M，若把泵的转速提高到n1，泵的特性曲线 H——Q往上移，工作点由M移至M1，流量由QM加大到QM1。若把泵的转速降至n2，工作点移至M2，流量降至QM2。这种调节方法需要变速装置或价格昂贵的变速原动机，且难以做到连续调节流量，故化工生产中很少采用。

参考资料：百度百科-离心泵