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在供水系统中,风机、泵类设备应用范围十分广泛,其电能消耗和诸如阀门、挡板相关设备的节流损失以及维护费用占到生产成本的20%～30%,是一笔不小的生产费用开支。随着经济改革的不断深入,特别是我国电能的紧张局势日益加剧,节能降耗业已成为企业降低生产成本、提高产品质量的重要手段之一。
1风机、水泵的能量损耗
1.1机械损耗
机械损耗即指泵或风机在运转时,轴与轴封、轴与轴承以及叶轮盘面与流体摩擦所消耗的功率损失。轴承及轴封装置机械摩擦引起的损失,约占输入轴功率的1%～3%,叶轮盘面与流体的摩擦损失在压力高、流量小的低比转数离心泵中比较突出,有时甚至高达有效功率的30%。
1.2容积损耗
泵和风机运行时,其内部和各级之间压力是不相等的,而由于结构上的需要,转动部件与静止部件之间又必须留有间隙,为平衡轴向推力,以及动静部件之间存在间隙,就有部分流体要从高压区回流到低压区,而在机内循环流动及向外泄漏消耗了能量。这种因回流及泄漏所造成的损失,就称为容积损失。尽量减小密封间隙,改进密封结构形式,严格坚持检修质量标准,均有助于减少此项损失。
1.3流动损耗
流动损耗即流体流经泵或风机产生的沿程阻力、局部阻力及撞击损失之和。这项损失与通流部件的几何形状、表面粗糙度、流体的粘滞性及泵或风机的运行工况有关。
1.4水泵的汽蚀现象及其对性能影响
汽蚀对离心泵的运行将造成扬程、流量、效率显著下降,严重时甚至使泵吸不上水而无法工作。同时,由于气泡溃灭形成的高频水锤,还将使泵产生振动和噪音,甚至造成过流部件损坏,使泵的寿命缩短。为了防止汽蚀现象的产生,在离心泵安装使用时,必须严格按照铭牌规定的“允许吸上真空高度”值进行安装;对于输送饱和流体的离心泵,其吸入安装高度必须为负值,即泵应安装在吸入液面以下,以使其有足够的“倒灌高度”。其次,尽量减小吸入管的阻力,吸入管少用弯头和阀门。在运行上,多台泵并列运行时,要合理分配负荷,以减少偏离设计流量时所产生的撞击,提高泵的抗汽蚀性能。另外,从结构制造上,尽量提高过流部件表面的光洁度,采用抗汽蚀性能好的材料,如稀土合金铸铁、铝青铜等,制造叶轮以及采用装置诱导轮、二重翼结构叶轮、首级叶轮采用双吸叶轮等,都可以提高泵的抗汽蚀性能。
2风机和水泵的节电原理与措施
2.1风机和水泵的调速节电原理
在实际使用中,当风机和水泵的容量偏大时。需要对其流量和全压(或扬程)进行调节,而供水企业通常采用的方法是控制阀门开度,即节流调节,此方法虽能减少部分输入功率,但却有相当一部分能量损失在调节阀门上,其节能经济性较差。若采用调速控制流量,可达到一定的节能效果。
通过流体力学的基本定律可知:风机、泵类设备均属平方转矩负载,其转速n与流量Q、压力H以及轴功率P具有如下关系:Q∝n,H∝n2,P∝n3,即流量与转速成正比,压力与转速的平方成正比,轴功率与转速的立方成正比。
可见,改变风机或水泵的转速即可改变风机或水泵的轴功率,故对风机和水泵类负载,采用调速控制流量是有效的节能措施。
2.2风机和水泵的调速方法的选择
在供水行业中用得较多的离心式、轴流式风机和水泵,其机械特性是变转矩负载特性,其转矩与转速的平方成正比,随着转速下降,其功率随转速的3次方减少。
为了取得最大经济效益,在选择风机、水泵调速方法时,我们应根据风机、水泵的性能、容量大小、流量变化幅度、调速装置的效率、技术复杂程度、价格、维修难易程度、对电网影响等诸多因素进行技术经济比较后,确定适用的调速方法。
2.2.1高效调速方法与有转差损耗调速方法
高效调速方法是指在调速过程中没有转差损耗或对转差损耗能够进行回收,如变极电动机调速、变频调速、串级调速等。低效调速方法是指在调速过程中有转差损耗,如电磁调速电动机调速、调压测速、液力耦合器调速等。
采用有转差损耗调速方法时,离心式风机、水泵的流量Q与转速n成正比;全压、扬程H与转速n的平方成正比;功率P与转速n的3次方成正比。
2.2.2变速运行时的功率因数
可调速系统的功率因数值主要由电动机的功率因数及调速装置的功率因数决定。由于风机、泵的轴功率与转速3次方有关,因而电动机负载变化较大时,电动机功率因数变化也较大。高效调速装置功率因数还受变速装置影响,降速时负载减少,相应的功率因数也下降。
2.2.3流量变化与调速装置的选择
风机与泵变速运行的节电效果主要与其流量变化大小有关:1)流量在额定流量90%以上变化时,一般不采用变速调节,因为调速装置效率在90%左右,不会产生较大节能效果。2)中高流量变化的风机与泵一般采用有转差损耗调速装置,绕线式电动机采用晶闸管串级调速。3)流量变化经常在额定流量60%以下的应采用高效调速方式。4)在全流量范围变化的风机与泵采用调速装置的话,应有流量在90%以上时全速运行的切换装置。5)为取得变速节电的良好效果,调速装置应配有根据流量变化的自动控制装置,当流量需要变化时,能按照给定的变化参数自动地改变转速,以期取得最大节电效果。
2.2.4风机、泵容量与调速装置选择
风机、泵容量大小与节电效果直接有关,容量大的风机、泵节电实际效益要比容量小的高,但容量大的调速装置的投资要比容量小的大、应作综合比较。
1)配套电动机功率在10KW以下的风机、泵,一般不采用调速装置。2)配套电动机功率在10～55KW的风机、泵应优先考虑使用投资较少的调速装置。在流量变化较大的场合,可采用多速电动机。在调速范围较小场合采用电磁调速电动机。绕线式电动机宜采用晶闸管串级调速。若笼式电动机传动的风机、泵要求调速范围在50%～80%额定转速时,是否采用串级调速,应作技术经济比较,一般要求投资能在2～3年内回收。目前,风机、泵电采用变频装置进行调速,其应用对象为流量变化较大、经常需要在低速运转的风机、泵,以获得较大节电效益。投资应在2～3年内回收,最长不宜超过5年。3)配套电动机功率在55～100KW的风机、泵,若流量长期在80%～90%额定转速内变化的,可采用电磁调速电动机或液力耦合器;流量在60%～80%之间波动的,宜采用串级调速或变频调速。4)配套电动机功率在100KW以上的风机、泵由于容量较大,节能效果是选择调速方式首先考虑的因素,应根据风机、泵运行的工况,尽可能选用高效的调速方式。流量变化在80%～90%范围内时,也可选用液力耦合器。5)还要根据风机、泵运行的可靠程度,选择相适用的调速方式,对于重要场合的风机、水泵应选择可靠性较高的调速方法,如晶闸管串级调速、液力耦合器。选择调速装置时还要根据自己的维修力量,若近期内无法适应、提高的,应选择维修要求较低的电磁调速电动机、多速电动机、液力耦合器等。对于液力耦合器等联轴形式的调速装置,还必须充分考虑调速装置的安装位置。
1风机、水泵的能量损耗
1.1机械损耗
机械损耗即指泵或风机在运转时,轴与轴封、轴与轴承以及叶轮盘面与流体摩擦所消耗的功率损失。轴承及轴封装置机械摩擦引起的损失,约占输入轴功率的1%～3%,叶轮盘面与流体的摩擦损失在压力高、流量小的低比转数离心泵中比较突出,有时甚至高达有效功率的30%。
1.2容积损耗
泵和风机运行时,其内部和各级之间压力是不相等的,而由于结构上的需要,转动部件与静止部件之间又必须留有间隙,为平衡轴向推力,以及动静部件之间存在间隙,就有部分流体要从高压区回流到低压区,而在机内循环流动及向外泄漏消耗了能量。这种因回流及泄漏所造成的损失,就称为容积损失。尽量减小密封间隙,改进密封结构形式,严格坚持检修质量标准,均有助于减少此项损失。
1.3流动损耗
流动损耗即流体流经泵或风机产生的沿程阻力、局部阻力及撞击损失之和。这项损失与通流部件的几何形状、表面粗糙度、流体的粘滞性及泵或风机的运行工况有关。
1.4水泵的汽蚀现象及其对性能影响
汽蚀对离心泵的运行将造成扬程、流量、效率显著下降,严重时甚至使泵吸不上水而无法工作。同时,由于气泡溃灭形成的高频水锤,还将使泵产生振动和噪音,甚至造成过流部件损坏,使泵的寿命缩短。为了防止汽蚀现象的产生,在离心泵安装使用时,必须严格按照铭牌规定的“允许吸上真空高度”值进行安装;对于输送饱和流体的离心泵,其吸入安装高度必须为负值,即泵应安装在吸入液面以下,以使其有足够的“倒灌高度”。其次,尽量减小吸入管的阻力,吸入管少用弯头和阀门。在运行上,多台泵并列运行时,要合理分配负荷,以减少偏离设计流量时所产生的撞击,提高泵的抗汽蚀性能。另外,从结构制造上,尽量提高过流部件表面的光洁度,采用抗汽蚀性能好的材料,如稀土合金铸铁、铝青铜等,制造叶轮以及采用装置诱导轮、二重翼结构叶轮、首级叶轮采用双吸叶轮等,都可以提高泵的抗汽蚀性能。
2风机和水泵的节电原理与措施
2.1风机和水泵的调速节电原理
在实际使用中,当风机和水泵的容量偏大时。需要对其流量和全压(或扬程)进行调节,而供水企业通常采用的方法是控制阀门开度,即节流调节,此方法虽能减少部分输入功率,但却有相当一部分能量损失在调节阀门上,其节能经济性较差。若采用调速控制流量,可达到一定的节能效果。
通过流体力学的基本定律可知:风机、泵类设备均属平方转矩负载,其转速n与流量Q、压力H以及轴功率P具有如下关系:Q∝n,H∝n2,P∝n3,即流量与转速成正比,压力与转速的平方成正比,轴功率与转速的立方成正比。
可见,改变风机或水泵的转速即可改变风机或水泵的轴功率,故对风机和水泵类负载,采用调速控制流量是有效的节能措施。
2.2风机和水泵的调速方法的选择
在供水行业中用得较多的离心式、轴流式风机和水泵,其机械特性是变转矩负载特性,其转矩与转速的平方成正比,随着转速下降,其功率随转速的3次方减少。
为了取得最大经济效益,在选择风机、水泵调速方法时,我们应根据风机、水泵的性能、容量大小、流量变化幅度、调速装置的效率、技术复杂程度、价格、维修难易程度、对电网影响等诸多因素进行技术经济比较后,确定适用的调速方法。
2.2.1高效调速方法与有转差损耗调速方法
高效调速方法是指在调速过程中没有转差损耗或对转差损耗能够进行回收,如变极电动机调速、变频调速、串级调速等。低效调速方法是指在调速过程中有转差损耗,如电磁调速电动机调速、调压测速、液力耦合器调速等。
采用有转差损耗调速方法时,离心式风机、水泵的流量Q与转速n成正比;全压、扬程H与转速n的平方成正比;功率P与转速n的3次方成正比。
2.2.2变速运行时的功率因数
可调速系统的功率因数值主要由电动机的功率因数及调速装置的功率因数决定。由于风机、泵的轴功率与转速3次方有关,因而电动机负载变化较大时,电动机功率因数变化也较大。高效调速装置功率因数还受变速装置影响,降速时负载减少,相应的功率因数也下降。
2.2.3流量变化与调速装置的选择
风机与泵变速运行的节电效果主要与其流量变化大小有关:1)流量在额定流量90%以上变化时,一般不采用变速调节,因为调速装置效率在90%左右,不会产生较大节能效果。2)中高流量变化的风机与泵一般采用有转差损耗调速装置,绕线式电动机采用晶闸管串级调速。3)流量变化经常在额定流量60%以下的应采用高效调速方式。4)在全流量范围变化的风机与泵采用调速装置的话,应有流量在90%以上时全速运行的切换装置。5)为取得变速节电的良好效果,调速装置应配有根据流量变化的自动控制装置,当流量需要变化时,能按照给定的变化参数自动地改变转速,以期取得最大节电效果。
2.2.4风机、泵容量与调速装置选择
风机、泵容量大小与节电效果直接有关,容量大的风机、泵节电实际效益要比容量小的高,但容量大的调速装置的投资要比容量小的大、应作综合比较。
1)配套电动机功率在10KW以下的风机、泵,一般不采用调速装置。2)配套电动机功率在10～55KW的风机、泵应优先考虑使用投资较少的调速装置。在流量变化较大的场合,可采用多速电动机。在调速范围较小场合采用电磁调速电动机。绕线式电动机宜采用晶闸管串级调速。若笼式电动机传动的风机、泵要求调速范围在50%～80%额定转速时,是否采用串级调速,应作技术经济比较,一般要求投资能在2～3年内回收。目前,风机、泵电采用变频装置进行调速,其应用对象为流量变化较大、经常需要在低速运转的风机、泵,以获得较大节电效益。投资应在2～3年内回收,最长不宜超过5年。3)配套电动机功率在55～100KW的风机、泵,若流量长期在80%～90%额定转速内变化的,可采用电磁调速电动机或液力耦合器;流量在60%～80%之间波动的,宜采用串级调速或变频调速。4)配套电动机功率在100KW以上的风机、泵由于容量较大,节能效果是选择调速方式首先考虑的因素,应根据风机、泵运行的工况,尽可能选用高效的调速方式。流量变化在80%～90%范围内时,也可选用液力耦合器。5)还要根据风机、泵运行的可靠程度,选择相适用的调速方式,对于重要场合的风机、水泵应选择可靠性较高的调速方法,如晶闸管串级调速、液力耦合器。选择调速装置时还要根据自己的维修力量,若近期内无法适应、提高的,应选择维修要求较低的电磁调速电动机、多速电动机、液力耦合器等。对于液力耦合器等联轴形式的调速装置,还必须充分考虑调速装置的安装位置。