两台不同功率的水泵可否并联运行

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。