水泵变频调速的节能性是相对于工频泵直接往管网供水的方式，其节能原理概括来说，就是：“水泵在工频运行工况中，当系统末端用水量小于水泵额定工况流量时，水泵的实际工况点会向水泵流量-扬程特性曲线的额定工况点左侧移动，导致水泵实际扬程大于额定扬程，末端用水压力偏大，造成了能量的浪费，当水泵通过变频运行的方式，降低电机频率，从而降低水泵转速，使降频后的水泵流量扬程曲线上出现在相同流量下-水泵扬程降低的工况，而此工况点压力可按根据用水压力需求调频控制，避免了系统因小流量超压而造成的能量浪费。”
离心泵的工作点是由泵的特性和管路特性共同决定的。当离心泵安装在特定的管路系统中工作时，实际的工作扬程和流量不仅与离心泵本身的性能有关，还与管路的特性有关，即在输送液体的过程中，泵和管路是互相制约的。在选择和设计泵时，既要选择泵在高效范围内工作，又要考虑泵能够在最大流量和扬程下工作。
下图摘自大学教材《泵与泵站》（第五版）-P44：
a. n=60f（1-S）/P，式中：f-输入频率，n-转速，S-电机转差率，P-电机磁极对数，故电源频率f与水泵电机转速n成正比，即n1/n2=f1/f2=α，从上述公式可以看出，同泵调频之后，其流量、扬程、轴功率与水泵转速之间的关系，当水泵频率降低时，水泵流量之比与电机转速比α相同，而水泵扬程与电机转速比ns的二次方成正比，而水泵的轴功率与电机转速比α的三次方成正比，调速后的水泵与调速前水泵的流量、扬程、轴功率呈现不同比例关系。
b.需要说明的是，水泵调速之后，原水泵流量扬程曲线上的流量、扬程与调速后相应点的流量、扬程成上述比例关系，并不意味着电机转速降低后，调速后所有点的扬程一定都低于调速前的额定扬程，应根据具体转速比与水泵流量扬程特性曲线确定。
c. H1/H2=(Q1/Q2)?=K，由此可得相似工况抛物线公式H=KQ?，凡是符合比例律关系的工况点，均分布在相应的相似工况抛物线上，通常我们把相似工况抛物线称为等效率曲线，即相似工况抛物线上各点的效率是相等的。实际中，通过试验测定，实测的等效率曲线与理论上的等效率曲线是有差异的，只有在高效段范围内两者才吻合，偏离高效段，两者实测值有些许偏差。
d.水泵变频调速按供水方式可分为恒压变流量供水和变压变流量供水，恒压变流量供水方式是将电接点压力表安装在水泵出水口上，使供水主泵出口压力总停留在设定压力值上；变压变流量供水方式，是将压力设定在末端用户用水点附近，变压变流量控制方式的实施存在较大困难，压力信号滞后很多，要想精准调节水泵转速非常困难。工程中恒压变量控制方式应用更为广泛，但变压变流量技术上更为合理，代表着水泵变频调速节能技术的发展方向。
注：水泵恒压变频运行，运行过程中减少了扬程，即节省了从工频运行Q-H特性曲线至恒定运行之间的多余能耗区，见上图中的面积I。而变压变流量供水方式除节省面积I外，还节省了由恒压工作曲线与变压变流量水泵工作曲线之间围成的面积II。
水泵、管路特性曲线分析
1）假设某变频供水泵组中主泵单泵额定流量为20m?/h，额定扬程为70m，采用恒压变频方式供水，水泵出水恒压值为70m。供水点与水泵出水口高差50m，由于平均时用水量远小于设计秒流量工况，在实际水泵运行中，可能不少时间段存在单泵运行的工况，故先进行单泵（主泵）运行工况的分析，水泵流量扬程曲线及管路特性曲线如下：
A. 曲线Q-H表示水泵在额定转速n1下（f=50Hz）的流量-扬程特性曲线，而曲线（Q-H）’表示水泵在输入频率为X Hz、转速为n2时的流量-扬程特性曲线。H-kQ?为等效率曲线，在水泵高效区范围内时，曲线上各点效率可视为相等。A'点为变频调速后的水泵流量扬程曲线与恒压线的交点，其横坐标为Q=14m?/h，则当系统用水量为14m?/h时，水泵调频至f=X Hz，水泵实际运行工况点为A'点，未调频前水泵实际工况点为C点。
B. 图中H+∑h表示管路特性曲线之一（恒压供水时，静扬程Hst基本不变）。由于生活给水系统的用水量经常是变化的，水泵供水区域内的管网特性曲线也一直处于变化状态，而对于某一特定的水泵，其水泵特性曲线（不调频时）不变，则管网特性曲线与水泵特性曲线的交点会在水泵特性曲线上的某一范围内波动。
C. 应区分水泵调速范围和水泵高效段范围的区别，对于工频泵，一般认为额定工况点左右10%范围内为高效区，即水泵实际工况点与额定工况点偏差较小，效率η偏离最高效点较小。对于生活给水设备，其额定工况点通常位于高效区末端，其工频运行时，可将80%~100%额定流量范围视为高效段，例如上图中，工频运行时A~B段即为水泵工频运行的高效段。水泵运行效率高，但存在能量浪费，需要调速。水泵调速后，其高效段变为A'~B'，则曲线段A'~B'上各点的效率与曲线段A~B上相应各点的效率相同。此时水泵的调速范围为（Qx/QB~1，设B'点横坐标为Qx）,而水泵“标准高效段”为恒压线上A’~B，一般可取水泵额定流量的70%~100%，在此流量范围内，即节省轴功率N，又能保证水泵的轴功率能够得到高效转换，即运行效率-η值较高。
E. Q-η为水泵工频运行时的效率曲线，变频调速泵在额定转速时的工作点-图中B点（Q=20m?/h，H=70m），应位于水泵高效区的末端（C点），
B'为水泵调速后（f=X Hz）的额定工况点，假设坐标为（Qx、Hx），则满足：
20/Qx=50/X 70/Hx=（50/X）? N1/N2=（50/X)
B'横坐标为18.6m?/h（纵坐标：60m），则此时水泵的调速比为18.6/20=0.93，根据上面轴功率的比例律关系，可得轴功率比值：N2/N1=0.93*0.93*0.93=0.8。
各工况点的单位平均能耗可用其轴功率除以该工况点QH的乘积（各工况点的横坐标乘以纵坐标）。则:
a. 调速后额定工况点B'单位平均能耗Pb与调速前B点的单位平均能耗P0比为：
Pb/P0=（N2/18.6*60）÷（N1/20*70）=100%
说明：水泵调速后的额定工况点B'的平均能耗与调速前工频运行额定工况点B的单位平均能耗一致（因为B和B'效率一致），侧面印证了等效率曲线。
b. 调速后实际工况点A'单位平均能耗Pa与调速前B点的单位平均能耗P0比为(注：Pb/P0=1)：
Pa/P0=Pa/Pb
=
（N2/14*70）÷（N2/18.6*60）=121.4%
说明：调速后水泵的实际工况点A'的平均能耗相对于调速前工频运行时B点的平均能耗要大，多产生的能耗为21.4%，则A'与B点的运行效率比为：1：121.4%=89.2%。
c.调速后实际工况点A'单位平均能耗Pa与调速前C点的单位平均能耗P0比为：
Pa/Pc=（N2/14*70）÷（N1/14*80）=91%
说明：调速后水泵的实际工况点A'的平均能耗相对于调速前工频运行时C点的平均能耗要小，比工频运行时的实际工况要更节能，节能区域可用阴影部分NCA'M表示。
由于ρ为定值，故在水泵轴功率N一定（频率f一定时）时，η值的大小与QH乘积成正比，QH在上图中表现为点（0,0）、点（0、Q）、点（0、H）和点（Q、H）围合而成的矩形（或正方形）的面积。即：
在同一水泵流量扬程曲线上，工况点的QH面积越大，其水泵效率越高
。生活给水泵其额定工况点位于高效段的末端，通常不是水泵效率最高的点。
2）假设管网用水流量进一步降低，降低至10m?/h，此时绘制水泵调频后的特性曲线（Q-H）‘’与H-Q?等效率曲线交于B‘’，与恒压线交于W点，如下：
G. 则ηB''≈ηB，调频后相对于水泵调频前工频运行节省的能耗区为阴影部分“JUWK”。B''坐标（17.6m?/h，58m），B''点的QH乘积为P1=17.6*58=1020.8，W坐标（10m?/h，70m），则W点的QH乘积为P2=10*70=700，调速前B点流量为20m?/h，调速后为B‘’为17.6m?/h，调速比为17.6/20=0.88，则水泵调速后的轴功率与调速前的比值为：
N2/N1=（0.88）=0.68，轴功率节省32%
a. 设调速前水泵额定工况点B的单位能耗为P0，调速后W点的单位平均能耗为PW，则：
PW/P0=（N2/10*70）÷(N1/20*70)=136%，
W与B点的运行效率比为：1：136%=74%（＜80%，偏离高效区）。
b. 调速后实际工况点W单位平均能耗Pw与调速前U点的单位平均能耗Pu比为：
Pw/Pu=（N2/10*70）÷（N1/10*88）=85%
(节能率15%)
故，在流量为10m?/h时，调速后虽然相对于此流量下工频泵直接向管网供水更为节能（节能15%），但由于水泵运行偏离高效区较多，实际水泵运行效率降低，约为工频运行额定工况点的74%，单位平均供水能耗增加，约为工频运行额定工况点的136%。
H. 变频水泵不可能无限调速，其调速范围分为合理调速范围和极限调速范围，水泵的合理调速范围是基于水泵在此范围内能保证高效运行这一条件确定的；水泵在极限调速范围是基于水泵正常运行这一条件确定的。因此要确定合理的调速范围，否则难以实现节能的目的，经调速后的水泵，其流量扬程曲线应与恒压线存在交点，当不存在交点时，系统无法恒压在设定值，故调频范围应保证调频后的水泵流量扬程曲线与恒压线有交点。
I. 从以上分析可以看出，对于水泵调速后的运行工况，当工况点偏离A'往恒压线左侧移动之后，水泵轴功率相对于调速前降低得更多，但由于水泵效率下降，实际供水单位平均能耗增加，故个人建议：“将调速后实际工况点的效率值保证在不低调速前额定工况点效率值的80%作为综合高效区的判定方法，对应上例中最低调速比约为0.9（水泵在变频运行后稳定的最小调速比，非过程调速比，过程调速比最低可到0.7），流量范围约为60%~100%Q额，则可保证水泵调速后的平均运行效率约为调速前水泵工频运行额定工况点效率的90%”，由于水泵调速范围受水泵本身性能曲线影响较大，对于同一套恒压变流量供水方式运行的变频调速设备，设定的压力值越低、所选用的水泵Q-H特性曲线越陡，其节能率越高。
未完待续~
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知识点：变频供水系统节能性分析
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