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姜校林（1962－）

    男，工學碩士，高級工程師，從事產品研發工作，發表論文6篇，獲省、部級科學進步二等獎1項，發明和實用新型專利8項。

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能。然而由于變速節能機理的復雜性，一部分人對該技術的認識還不全面，因錯誤理解和變速泵生產廠家的片面宣傳，導致亂改（將水塔供水改為無塔變速泵直接供水）、亂上變速供水設備的現象屢見不鮮。本文的目的是要重新探討變速泵的節能機理，同時指出當前對變速泵節能理論存在的幾個誤區，為今后正確選用變速供水設備，提供正確的理論依據。

1  供水系統的基本理論

1.1  基本概念

(1)  水泵輸出特性：當水泵轉速一定時，水泵輸出流量與輸出壓力之間的關系，即水泵的H-Q曲線。水泵不同的轉速對應不同的H-Q曲線，因此變水泵輸出特性曲線為一曲線簇。水泵在額定轉速下的H-Q輸出特性曲線（稱之為外特性曲線，并設其所對應的方程為H=f0(Q)）由水泵生產廠家給出，水泵在任意轉速n時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繪出。相似定律公式為：

        ；

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

需要特別強調的是，水泵的相似定律是描述水泵自身性質相似關系的表達式，通過它可以求得水泵在不同轉速下的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，取決于供水系統的工作點的具體位置。

(2)  管道輸入特性：當管道參數（管道直徑、長度、形狀、材質、閥門開度等）一定時，流經管道的流量與管道輸入口所加的壓力之間的關系。

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的高度所產生的靜壓值；K―管道阻力系數。

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。當閥門開度為零時，K→∞，此時拋物線與Y軸重合，供水系統表現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。當閥門全開時，K達到最小值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為（0，H靜）的點。

(3)  供水系統的工作點

所謂供水系統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，如圖1所示（雙點劃線的左端為水泵，右端為供水管道）。所謂供水系統的工作點是指供水系統在工作中，水泵的實際輸出流量和輸出壓力的具體數值。確定供水系統工作點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H-Q的坐標系中，二曲線的交點即為供水系統的工作點。該點所對應的流量值與壓力值，即為水泵出水流量Q和水泵出壓力H的數值。

圖1  水泵、管道、供水系統的定義
 

   圖2  供水系統工作點的確定

如圖2所示，確定兩曲線的交點為供水系統工作點的機理是：只有在這一點上，它們具有相同的壓力和相同的流量，具有穩定的工作狀態。若工作點不是在交點處，而是在交點的左側，則水泵產生的壓力就會高于管道阻力，實際輸出的流量就會增加，其結果就會導致工作點的右移，直至到達交點處二者的壓力相等為止。工作點不會在交點的右側，因為此時水泵提供的壓力會小于管道所需要的壓力，系統將無法運行。實際上，確定二曲線的交點為供水系統工作點的原理，是牛頓力學理論在流體運動中具體應用的結果。

顯然，供水系統的工作過程是由無數個連續的工作點構成的，因此要了解供水系統的工作過程和水泵能耗，先要正確求出供水系統的工作點。 

圖3  水泵水塔式供水工作軌跡線

      圖4  恒速泵供水系統工作軌跡線

1.2  供水系統工作過程的描述

如上所述，供水系統的工作過程可用連續的工作點來描述，也就是用工作點的軌跡線（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的全過程。

(1)  水泵―高位水塔（箱）供水系統

該種供水俗稱有塔供水，是目前最為典型的供水形式。其特點是水泵恒速運轉，管道阻力系數不變。水塔內水面上升到上限則停機，水面下降到下限則開機，水泵間歇工作。工作點的確定如圖3所示。由圖3可見，工作過程始終為一個點，故其工作軌跡線也為一個點。因此只要設計合理，工作點匹配正確，可始終保持水泵在最高效率狀態。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、變頻變壓供水在節能、可靠性等方面與之無法相比的。

(2)  無塔供水系統

目前主要有以下幾種：

?  采用閥門調節水量的恒速泵供水系統（簡稱恒速泵供水系統）

工作點的確定如圖4所示。因不同的閥門開度對應不同的管道阻力系數（K值），也即對應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（工作點）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（工作點）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

?  采用管道性質不變的變速泵調節水量的供水系統（簡稱變頻變壓供水系統）

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

由圖5可見，無論供水量怎樣變化，工作點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（簡稱變頻恒壓供水系統）

采取的方法是在水泵的出水口或是在用戶的最不利點處裝一壓力傳感器，用微機自動控制變頻泵的轉速，使水泵的出水口或是最不利點處的壓力恒定，現行生活小區使用的變頻供水設備均屬于這一種。

由于最不利點處往往遠離供水設備，在該點處安裝壓力傳感器實施的難度很大，實際中絕大多數變頻恒壓供水設備采用前者，因此以下只將前者作為討論的對象。

顯然，在Q-H坐標系中，設定的恒壓值，其圖像為一水平直線，如圖6