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真空泵变频控制可行性分析
我厂凝汽器真空泵采用佛山水泵厂的水环式真空泵，型号为2BW4303-OEL4。参数如下：转速740r/min，抽率28～66.5m3/min，吸入绝压33～1013百帕，排气绝压1013百帕。其特性曲线如图一所示。
真空泵运行方式：单台机组配备两台，一用一备。由于机组两班制运行，早起晚停，机组停运后不破真空，所以真空泵绝大部分时间一直在较低吸入绝压下运行。
水环式真空泵是一种粗真空泵。其效率低，一般在30%左右，较好的可达50%。由我厂的真空泵性能曲线图一可知，在真空较高区域轴功率下降与抽气速率的下降并不是成比例的，抽气速率下降得更快，所以说真空越高（在真空较高区域），泵的效率越低。那么能否通过变频控制达到节能的目的？节能效果如何？下面从变频器控制节能的原理、泵转速变化对泵效率的影响来分析。
图一 1.异步电动机变频器改造节能的原理
变频器控制，是通过降低异步电动机输入电源频率，降低异步电动机转速n＝60f（1－s）/p，同时降低异步电动机输入电压（防止电机出现过励磁），来达到降低异步电动机输出功率的目的。转速降得越低，越节能。但其前提条件是降低转速、降低异步电动机输出功率要能满足系统的需求。一个系统能否采用变频改造到达较好节能效果，很大程度取决以下两种情况：一是配套的动力设备具有较大的富裕量；二是系统运行过程有较大的能量损失，且这个损失能通过变频控制来大幅降低，如锅炉给水泵通过阀门节流控制，节流损失很大，变频改造能大幅降低节流损失。如果不存在这两种情况，那变频改造意义不大，只能改善泵启动性能，减少系统冲击。
对于我厂水环式真空泵来说，从运行时的电流（接近额定电流）可以看出，其富裕量并不是很大，单针对这点采用变频意义不大。水环真空泵效率低，在高吸入绝压下运行更甚，存在很大的能量损失。那采用变频改造能否大幅降低其运行时的能量损失呢？要从泵转速的改变对效率的影响来分析。水环式真空泵的效率为η＝Nis/N，Nis为有效压缩功，N为电机轴功率。Nis是维持稳定真空所需的功，是系统需求，由于我厂真空泵绝大部分时间运行在较高稳定真空下，且系统泄漏量一定，可认为是不变的。那么既要降转速降轴功率N又要能满足系统需求（Nis维持不变），就必须要提高泵效率η。换句话说，如果变频后(N降低) 不能提高η的话，Nis必然减少，不能满足系统需求，真空下降。那么通过变频控制，降低泵转速，能否提高泵的效率η呢，下面来分析。
2. 泵转速变化对泵效率η的影响 2.1等温效率
在水环真空泵中，气体的压缩一般可以认为是等温过程。泵等温效率可用下式表示：
η= ηist ．ηm ．ηv ．ηh (1)
式中 ηist : 等温压缩功与实际压缩功之比，衡量实际压缩和等温压缩不一致引起的能量损
失。 ηist =0．93～0．95
ηm : 机械效率。衡量轴承、填料与轴的摩擦损失 ，随转速降低而略有升高。
ηm =0.985—0.99
ηv: 容积效率。衡量吸人气体的充满程度、泄漏损失及余隙损失。
ηv =Q1／Qth =0．65～0．95 Q1为实际气量 ，由试验装置测得。Qth为理论气量 ，可由公式计算。
ηh: 水力效率。衡量水环水力损失及气体水力损失 ， ηh =0.50～ 0.70
2.2各种效率分析
因ηist和ηm 随转速变化很小，为分析简便起见，取ηist =O.99， ηm=0.94，故仅分析ηv，及ηh
随转速的变化即可。
2.2.1 ηv随转速的变化
吸入气体的充满程度，表示了进人叶轮气体空间气量的多少，与吸气窗口速度、叶轮长径比及其圆周速度有关。对应确定的泵及工况，则只随转速变化，随着转速的降低，叶轮转过相同角度所
用时间变长，吸入气体的充满程度提高。
泄漏损失，是指泵内压缩腔的气体通过叶轮与分配板(器)之间的轴向(径向)间隙又重新回到吸
入腔引起的气量损失，与压缩腔和吸人腔的压力差、间隙大小及转速有关。泵及工况确定后．只与转速有关。它可分为两项：
a)沿叶轮线速度方向，通过间隙从压缩腔回串到吸入腔，因此处压缩腔与吸人腔之间有水环补充水流入，所以此间隙内也充满水，封堵了气体回串的通路，故只要补充水正常．该处泄漏可以忽略。
b)与叶轮线速度反方向，通过间隙从压缩腔回串到吸入腔。随着转速的降低，转速对泄漏的阻碍作用变弱了，泄漏损失随之增大。
余隙损失，是指排出腔内没被排出的残余气体推开与叶轮轮毂相接触的水环随叶轮又重新回到吸入腔引起的气量损失。它主要发生在高真空区，对高效区影响不大。 2.2.2 ηv随转速的变化
水环水力损失包括两部分：
a)水环沿泵体、叶轮壁面流动时的沿程及局部损失，其大小可表示为h=￡U/2g，其中￡为阻力系数，与过流壁面粗糙度、形状及尺寸有关。泵结构一定时，￡为确定值，故h随转速降低而减小。
b)叶轮内外的水环在其外径处动量交换引起的损失。取决于叶轮之外水环速度大小及方向与叶轮出口处水环速度大小及方向的一致性，两者偏离越大，水环撞击损失越大。与叶轮出口角度和体
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的匹配程度有关。与转速大小关系不太大。
气体水力损失也包括两部分:
a)窗口过流损失。气体以一定的速度通过吸、排气窗口时引起局部损失，转速越高，损失越
大。对确定的泵，吸排气窗口面积一定，随着转速的降低，气量减小，窗口速度变低，该损失变小。
b)过压缩和压缩不足引起的能量损失。对一台泵而言，排气窗口始角是根据一种吸入压力设计的(见图2)。实际使用时，吸入压力是变化的。当实际吸入压力高于设计吸入压力(低真空)时，
排出口处腔内气体压力P2大于外部压力P2 ，即产生过压缩。P2通过膨胀降为P2 ，引起能量损失(见图3)。当实际吸入压力低于设计吸入压力(高真空)时，P2：< P2，即压缩不足，外部气体流人工作空间，引起能量损失(见图4)。随着转速的降低，压缩不足区域变窄，过压缩区域变宽，对应设计吸入压力(高效区)排出窗口始角变得不适应，损失增加。上述各项中,水环水力损失和气体窗口损失起主要作用，所以，水力效率ηh随转速降低而升高。
综合各个效率随转速的变化情况，泵的等温效率随随转速的降低而升高。
2.3 试验验证
上述只是分析了泵效率随转速下降而升高,具体升高多少难以精准的计算出来,但可以通过试验大概知道效率提高的幅度。
我们来看一例试验，尽管试验泵参数与我厂不太一样，但泵型式一样，只是泵半径和额定参数不一样，其结果具有普遍意义。试验泵为实型泵，其设计周速为17．58m／s、转速为960 r／min。将
转速分别降到900r／min、840 r／min、735 r／min，三挡转速，试验结果见图5。
图5
1－960 r／min 2－900r／min 3－840 r／min 4－735 r／min
从试验的结果看，随着泵转速的降低，泵的效率的却是提高了。但也可以看出真空越高，转速降低对效率的提高幅度越来越小。所以对我们厂的真空泵来说，绝大部分时间运行在高真空区，通过变频改造，泵的效率并不能大幅提高。
3.总结
从经济性来说，真空泵变频控制，在效率不能大幅提高的前提下，通过变频改造节能的效果不明显。变频器本身的耗能及谐波损耗也能达到10％，这也只是在变频器选型配套及安装合理的前提下。所以水环式真空泵变频改造意义不大。
从安全性来说，系统对真空泵运行稳定性要求很高，真空泵故障跳闸，严重威胁机组安全运行。由于变频器也有一定的故障率，无疑是降低了真空泵的运行稳定性。加上水环式真空泵对转速有一个最小要求，否则不能形成稳定的水环，如果变频器最小频率设置不当或控制故障，将导致系统漏空气，真空快速下降。