水廠二級(jí)泵站中水泵的變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)

顧兵

（鹽城匯津水務(wù)有限公司，江蘇 鹽城 224000）

1 水泵變頻調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理

水廠機(jī)泵的選型,一般是按城市最高日，最大時(shí)的需水量來(lái)確定的，但管網(wǎng)供水顯然不是恒定流量，因此在部分時(shí)段里機(jī)泵都處于低負(fù)荷運(yùn)行。水泵的特性曲線方程為：H=HX-SXQ2而管道的特性曲線方程為：H=HST+∑SQ2

式中H-水泵的實(shí)際揚(yáng)程

Q-水泵的實(shí)際出水量

HX-水泵在Q=0時(shí)所產(chǎn)生的虛總揚(yáng)程

SX-泵體內(nèi)虛阻耗系數(shù)

HST-水泵靜揚(yáng)程

S-代表長(zhǎng)度及直徑已定的管道的沿程與局部阻力之和的系數(shù)

水泵裝置的工況點(diǎn)是指水泵供給水的總比能與管道所要求的總比能相等的那個(gè)點(diǎn)，也即為水泵特性曲線與管道特性曲線的交點(diǎn)。當(dāng)曲線改變時(shí)，工況點(diǎn)就會(huì)轉(zhuǎn)移。二級(jí)泵站傳統(tǒng)的運(yùn)行方式是進(jìn)行臺(tái)數(shù)的切換或閥門(mén)調(diào)節(jié)，水泵恒速運(yùn)行。

根據(jù)離心泵的特性曲線公式：

式中：N-水泵使用工況軸功率（kw）；Q-使用工況點(diǎn)的流量（m3/s）；H-使用工況點(diǎn)的揚(yáng)程（m）；r-輸出介質(zhì)單位體積重量（kg/m3）；η-使用工況點(diǎn)的泵效率（%）。

可求出運(yùn)行在b點(diǎn)泵的軸功率和c點(diǎn)泵的軸功率分別為：

兩者之差為：ΔN＝Nc-Nb=R×Q2×（Hb－Hc）/102η

也就是說(shuō)，用閥門(mén)控制流量時(shí)，有ΔN功率被損耗浪費(fèi)掉了，且隨著閥門(mén)不斷關(guān)小，這個(gè)損耗還要增加。在水廠二級(jí)泵房水泵機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中我們常見(jiàn)的就是通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)啟度來(lái)調(diào)節(jié)流量，即通過(guò)增大管網(wǎng)的阻力來(lái)平衡水泵的工況（使管道特性曲線變陡）。因?yàn)楣芫W(wǎng)的用水量是每時(shí)每刻都在變化的，而二級(jí)泵站的分級(jí)也是有限的，靠水泵臺(tái)數(shù)的切換是不現(xiàn)實(shí)的，所以常采用閥門(mén)節(jié)流措施。雖然使用閥門(mén)節(jié)流，水泵的軸功率會(huì)隨著流量的減少而減少，且操作方便易行，但從經(jīng)濟(jì)上看，節(jié)流調(diào)節(jié)很明顯是用消耗水泵的多余能量來(lái)維持一定的供水量；

而用轉(zhuǎn)速控制時(shí)，由于流量Q與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比；揚(yáng)程H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比；軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比，即功率與轉(zhuǎn)速n成3次方的關(guān)系下降。如果不是用關(guān)小閥門(mén)的方法，而是把電機(jī)轉(zhuǎn)速降下來(lái)，那么在運(yùn)轉(zhuǎn)同樣流量的情況下，原來(lái)消耗在閥門(mén)的功率就可以全避免，取得良好的節(jié)能效果，這就是水泵調(diào)速節(jié)能原理。

2 變頻調(diào)速的基本原理

變頻調(diào)速的基本原理是根據(jù)交流電動(dòng)機(jī)工作原理中的轉(zhuǎn)速關(guān)系：

式中：f-水泵電機(jī)的電源頻率（Hz）；p--電機(jī)的極對(duì)數(shù)；

式中：P-水泵電機(jī)的軸功率（Hz）；T-電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；n-電機(jī)的轉(zhuǎn)。

由上公式（1）和（2）可知，均勻改變電動(dòng)機(jī)定子繞組的電源頻率f，就可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變慢，軸功率就相應(yīng)減少，電動(dòng)機(jī)輸入功率也隨之減少。這就是水泵變頻調(diào)速的節(jié)能作用。

3 水泵變速調(diào)節(jié)中不同運(yùn)行方式的節(jié)能分析

目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，變速調(diào)節(jié)運(yùn)行正成為發(fā)展的趨勢(shì)（其中，變頻調(diào)速是其主要方式）。變速調(diào)節(jié)主要有二種運(yùn)行方式：①恒壓變流量運(yùn)行方式②變壓變流量運(yùn)行方式。下面，我們從能量消耗的角度上來(lái)分析恒壓變流量運(yùn)行方式和變壓變流量運(yùn)行方式。

3.1 恒壓變流量運(yùn)行

圖3

恒壓運(yùn)行時(shí)的特性曲線如圖3所示，當(dāng)管網(wǎng)中的流量從設(shè)計(jì)流量Q1降為Q2時(shí)，壓力保持不變（恒為H0），由于水泵采用變頻調(diào)速，即有原來(lái)的滿轉(zhuǎn)速n變?yōu)閚1，理論上此時(shí)水泵需要消耗功率為Q2*H0，雖然小于恒速運(yùn)行時(shí)的消耗功率Q2*H1，但仍大于管網(wǎng)此時(shí)需要的消耗功率Q2*H2。同恒速運(yùn)行時(shí)一樣，多消耗的功（Q2*H0-Q2*H2）仍然是無(wú)效地消耗于管網(wǎng)之中。但從效率特性曲線圖可知，采用變速運(yùn)行水泵的效率提高了（由ηA提高到ηB，C點(diǎn)為D點(diǎn)的等效點(diǎn)）；且這種運(yùn)行方式供水品質(zhì)優(yōu)良，可在任何情況下同時(shí)滿足全網(wǎng)各用戶對(duì)供水的流量與揚(yáng)程的不同要求。

圖4

3.2 變壓變流量運(yùn)行

從圖4特性曲線可知，當(dāng)管網(wǎng)中的流量從設(shè)計(jì)流量Q1降為Q2時(shí)，由于水泵采用變速運(yùn)行，使轉(zhuǎn)速?gòu)膎調(diào)為n2，并使水泵的出水壓力剛好等于H2，此時(shí)理論上水泵的輸出功率為Q2*H2，而此時(shí)管網(wǎng)需要消耗功率也為Q2*H2，兩者剛好相等，水泵也達(dá)到其平衡工況點(diǎn)，因此這種運(yùn)行方式是最節(jié)能的。同恒壓運(yùn)行一樣，水泵的效率也提高了（由ηA提高為 ηB）。

3.3 分析比較

從以上特性曲線圖可知，變速運(yùn)行相對(duì)恒速運(yùn)行來(lái)說(shuō)，是通過(guò)以下兩個(gè)途徑節(jié)能的：第一是提高了水泵的效率 ；第二是降低用閥門(mén)節(jié)流引起的壓力損失。通常變速運(yùn)行比恒速運(yùn)行多節(jié)能12%左右。變速運(yùn)行中，雖然變壓比恒壓方式節(jié)能，但并不能說(shuō)變壓就一定比恒壓好，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況具體分析。恒壓運(yùn)行無(wú)須知道流量，只要有一個(gè)壓力傳感器就行；而變壓運(yùn)行是根據(jù)流量變化從而使壓力作出相應(yīng)的變化，它必須知道用水量，也就是說(shuō)，變壓運(yùn)行必須要有流量計(jì)，因此，變壓運(yùn)行的造價(jià)比恒壓運(yùn)行要高。

在水泵采用變速調(diào)節(jié)方式時(shí)，采用恒壓運(yùn)行方式較安全及經(jīng)濟(jì)。在室內(nèi)外供水系統(tǒng)中大多為此類情況；而在自來(lái)水廠中，配水管網(wǎng)一般阻力都較大，即管道特性曲線較陡，應(yīng)采用變壓運(yùn)行方式才能最大限度的節(jié)能。當(dāng)然，先進(jìn)的調(diào)速設(shè)備價(jià)格較為昂貴，一次投資較大，因此不能盲目地認(rèn)為變速調(diào)節(jié)就一定能節(jié)能，當(dāng)管網(wǎng)中有水塔和水池且其調(diào)節(jié)容積足夠大時(shí)，就沒(méi)有必要采用變速調(diào)節(jié)了。

4 水泵變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)在水泵控制系統(tǒng)中使用變頻調(diào)速技術(shù)，大部分是在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下，即人為地根據(jù)工藝或外界條件的變化來(lái)改變變頻器的頻率值，以達(dá)到調(diào)速目的。系統(tǒng)主要由四部分組成：(1)控制對(duì)象(2)變頻調(diào)速器(3)壓力測(cè)量變送器（PT）(4)調(diào)節(jié)器（PID）。系統(tǒng)的控制過(guò)程為：由壓力測(cè)量變送器將水管出口壓力測(cè)出，并轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，送到調(diào)節(jié)器與工藝所需的控制指標(biāo)進(jìn)行比較，得出偏差。其偏差值由調(diào)節(jié)器按預(yù)先規(guī)定的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算得出調(diào)節(jié)信號(hào)，該信號(hào)直接送到變頻調(diào)速器，從而使變頻器將輸入為 380V/50Hz的交流電變成輸出為 0～380V/0～400Hz連續(xù)可調(diào)電壓與頻率的交流電，直接供給水泵電機(jī)。

5 水泵變頻調(diào)速應(yīng)用的注意事項(xiàng)

水泵調(diào)速一般是減速問(wèn)題。當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，原來(lái)按工頻狀態(tài)設(shè)計(jì)的泵與電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)均發(fā)生了較大的變化，另外如管路特性曲線、與調(diào)速泵并列運(yùn)行的定速泵等因素，都會(huì)對(duì)調(diào)速的范圍產(chǎn)生一定影響。超范圍調(diào)速則難以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。因此，變頻調(diào)速不可能無(wú)限制調(diào)速。一般認(rèn)為，變頻調(diào)速不宜低于額定轉(zhuǎn)速50%，最好處于75%～100%，并應(yīng)結(jié)合實(shí)際經(jīng)計(jì)算確定。

5.1 水泵工藝特點(diǎn)對(duì)調(diào)速范圍的影響

理論上，水泵調(diào)速高效區(qū)為通過(guò)工頻高效區(qū)左右端點(diǎn)的兩條相似工況拋物線的中間區(qū)域。實(shí)際上，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速過(guò)小時(shí)，泵的效率將急劇下降，受此影響，水泵調(diào)速高效區(qū)萎縮,若運(yùn)行工況點(diǎn)已超出該區(qū)域，則不宜采用調(diào)速來(lái)節(jié)能了。

5.2 定速泵對(duì)調(diào)速范圍的影響

實(shí)踐中，供水系統(tǒng)往往是多臺(tái)水泵并聯(lián)供水。由于投資昂貴，不可能將所有水泵全部調(diào)速，所以一般采用調(diào)速泵、定速泵混合供水。在這樣的系統(tǒng)中，應(yīng)注意確保調(diào)速泵與定速泵都能在高效段運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)。此時(shí)，定速泵就對(duì)與之并列運(yùn)行的調(diào)速泵的調(diào)速范圍產(chǎn)生了較大的影響。主要分以下兩種情況：

5.2.1 同型號(hào)水泵一調(diào)一定并列運(yùn)行時(shí)，雖然調(diào)度靈活，但由于無(wú)法兼顧調(diào)速泵與定速泵的高效工作段，因此，此種情況下調(diào)速運(yùn)行的范圍是很小的。

5.2.2 不同型號(hào)水泵一調(diào)一定并列運(yùn)行時(shí)，若能達(dá)到調(diào)速泵在額定轉(zhuǎn)速時(shí)高效段右端點(diǎn)揚(yáng)程與定速泵高效段左端點(diǎn)揚(yáng)程相等。則可實(shí)現(xiàn)最大范圍的調(diào)速運(yùn)行。但此時(shí)調(diào)速泵與定速泵絕對(duì)不允許互換后并列運(yùn)行。

結(jié)束語(yǔ)

變頻調(diào)速技術(shù)用于供水企業(yè)二級(jí)泵房水泵的控制系統(tǒng)，具有調(diào)速性能好、節(jié)能效果顯著、運(yùn)行工藝安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。在大力提倡節(jié)約能源，認(rèn)真落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀的今天，在供水企業(yè)二級(jí)泵房中使用這種集現(xiàn)代先進(jìn)電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高科技裝置，對(duì)于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)能耗，節(jié)約成本具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

【1】鄭立剛淺析二級(jí)泵站中水泵的調(diào)速節(jié)能【J】.山西建筑，2007.