給水泵節(jié)能技術(shù)改造

汪晨暉 劉華強(qiáng)

摘要：文章根據(jù)水泵電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能優(yōu)化性能曲線，對(duì)水泵電機(jī)變頻節(jié)能控制原理進(jìn)行了分析研究，并對(duì)水泵電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單歸納總結(jié)。最后，結(jié)合某企業(yè)2臺(tái)給水泵供水系統(tǒng)節(jié)能改造實(shí)例，詳細(xì)分析了變頻控制相對(duì)工頻控制所取得的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：給水泵；變頻調(diào)速；變頻節(jié)能控制；節(jié)能改造方案；變頻調(diào)速節(jié)能優(yōu)化性能曲線

中圖分類號(hào)：TM621文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2012）03-0127-02

常規(guī)給水泵電動(dòng)機(jī)采用定速繼電器控制模式，給水泵出口流量、水壓等技術(shù)指標(biāo)只能依靠調(diào)節(jié)水泵出口閥門開度角來(lái)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)調(diào)節(jié)，節(jié)流損失量較大，輸水管路損耗非常嚴(yán)重，其在運(yùn)行過(guò)程中不僅會(huì)造成供水管網(wǎng)壓力發(fā)生較大波動(dòng)影響生產(chǎn)，同時(shí)還會(huì)造成巨大的電能、水能等資源浪費(fèi)。另外，水泵電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于負(fù)載波動(dòng)環(huán)境中，大大影響水泵電機(jī)綜合使用壽命。從大量實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)可知，水泵電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能降耗技術(shù)措施較多，但如何根據(jù)工程實(shí)際情況采取技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等指標(biāo)均比較優(yōu)越的節(jié)能改造方案就值得我們共同研究探討。變頻調(diào)速節(jié)能降耗優(yōu)化方案是給水泵電機(jī)節(jié)能改造最常用的技術(shù)措施，為此，對(duì)給水泵電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)采取變頻調(diào)速節(jié)能升級(jí)改造方案的可行性和實(shí)用性進(jìn)行分析研究就顯得十分必要。

一、水泵電機(jī)變頻節(jié)能控制原理

按照電機(jī)學(xué)基本理論可知，水泵電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與輸入電源頻率、轉(zhuǎn)差率、以及電機(jī)極對(duì)數(shù)等技術(shù)指標(biāo)有關(guān)。對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)而言，要實(shí)現(xiàn)其在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中具有較高的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定節(jié)能經(jīng)濟(jì)調(diào)節(jié)性能，可以采取變極數(shù)（調(diào)整電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)P）、內(nèi)部轉(zhuǎn)子串電阻等（調(diào)整轉(zhuǎn)差率S）、以及變頻調(diào)速（調(diào)整電動(dòng)機(jī)輸入電源頻率f）三種主要節(jié)能調(diào)速方案。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，調(diào)整電動(dòng)機(jī)輸入電源頻率f較其它方案要更加優(yōu)越，也就是給水泵電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)從配電網(wǎng)中獲得50Hz交流電源后，經(jīng)過(guò)內(nèi)部整流、濾波等電路轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的直流電，再經(jīng)直流逆變成頻率f和電壓U均可調(diào)的交流電源，作用在電動(dòng)機(jī)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)節(jié)控制。給水泵電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需水量要求，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)優(yōu)化給水泵電機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行曲線，確保整個(gè)給水泵電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)始終處于最優(yōu)運(yùn)行工況，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。給水泵電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能優(yōu)化調(diào)節(jié)工況曲線如圖1所示：

圖1水泵電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能優(yōu)化性能曲線

從圖1可知，水泵電機(jī)正常額定工況點(diǎn)為A，當(dāng)用水用戶需求水量從降低到過(guò)程中，如果采用常規(guī)閥門調(diào)節(jié)，則供水管網(wǎng)所具有的管阻特性將由（閥門全開）變化到，對(duì)應(yīng)其工況點(diǎn)將會(huì)由A點(diǎn)跳躍到B點(diǎn)。給水泵電機(jī)運(yùn)行工況的突然躍變將會(huì)給整個(gè)供水管網(wǎng)帶來(lái)巨大沖擊，影響用戶的正常高效生產(chǎn)。而采用變頻調(diào)速控制后，可以根據(jù)用戶用水量需求動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)給水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，即通過(guò)改變電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的性能曲線，達(dá)到節(jié)能降耗穩(wěn)定運(yùn)行的目的。在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，隨需水量的變化，電機(jī)運(yùn)行性能從額定轉(zhuǎn)速降低到工況曲線上，對(duì)應(yīng)其工況點(diǎn)也由A點(diǎn)平滑調(diào)至C點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗平衡動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。按照面積估算法原則，從理論分析角度來(lái)看，給水泵電機(jī)采用變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)升級(jí)改造后，其比常規(guī)采用閥門變流量靜態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以節(jié)約能耗如圖1中陰影部分所示，其節(jié)能效果十分明顯。

二、水泵電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制優(yōu)勢(shì)

對(duì)水泵電機(jī)采取變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)升級(jí)改造，不僅可以取得較為優(yōu)越的節(jié)能效果，同時(shí)還可以大大提高給水泵電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行性能和綜合使用壽命，具體表現(xiàn)在以下多個(gè)方面：

1．變頻調(diào)速速度控制范圍較寬，理論上可以實(shí)現(xiàn)在1%～100%范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

2．調(diào)節(jié)精度較高，通?？梢赃_(dá)到±0.5%（額定轉(zhuǎn)速工況下）。

3．給水泵電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)工作效率大大增加，其基本可以達(dá)到97%的電能轉(zhuǎn)換效果，且功率因數(shù)也可以達(dá)到0.95以上。

4．能夠保證電機(jī)安全運(yùn)行。一般交流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流為其額定電流的6倍以上，而采用變頻調(diào)速控制后，其可以起到明顯軟起動(dòng)功能，起動(dòng)電流不超過(guò)電機(jī)的額定電流。另外電機(jī)轉(zhuǎn)速降低后，運(yùn)行噪聲降低，可以大大延長(zhǎng)水泵電機(jī)綜合使用壽命。

5．節(jié)電效果較為明顯，與常規(guī)繼電器直接起動(dòng)系統(tǒng)相比，其節(jié)電效率可以達(dá)到30%以上。

三、給水泵電機(jī)變頻改造節(jié)能效果分析

（一）技術(shù)升級(jí)節(jié)能改造方案

某企業(yè)供水系統(tǒng)配備2臺(tái)給水泵（同時(shí)啟動(dòng)），其型號(hào)為2DG-10J，額定流量為270m3/h，揚(yáng)程為1515m，轉(zhuǎn)速為2980r/min，配置異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)為YK1600-2/990，功率為1600kW。初始由于受到投資資金等因素的制約，給水泵電機(jī)系統(tǒng)采用閥門調(diào)節(jié)。根據(jù)供水系統(tǒng)近3年的運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)看，由于該企業(yè)用水負(fù)荷波動(dòng)較大，水泵電機(jī)的能源轉(zhuǎn)換效率僅為31%，也就是說(shuō)采用閥門變流量靜態(tài)控制方式，整個(gè)給水泵電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)大約有50%以上的電能資源浪費(fèi)在閥門變流量調(diào)節(jié)過(guò)程中。因此，為了提高供水系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)可靠性，結(jié)合供水系統(tǒng)實(shí)際情況，遵循“最小改動(dòng)、最大可靠性、最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性”等技術(shù)升級(jí)改造原則，決定采用變頻調(diào)速控制對(duì)給水泵電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造。

（二）節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益分析

為了分析采用變頻調(diào)速技術(shù)升級(jí)改造后，給水泵電機(jī)系統(tǒng)所取得的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益，將2臺(tái)給水泵中的1#給水泵采用變頻調(diào)速控制進(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造，并與工頻運(yùn)行的2#給水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)相比。2臺(tái)給水泵實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)如表1所示：

表12臺(tái)給水泵不同控制方式實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)

從表1可知，在各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足供水系統(tǒng)使用功能要求的前提下，1#給水泵相比2#給水泵其工作性能更加穩(wěn)定，平均運(yùn)行電流為93.83A，比工頻運(yùn)行電流164.70A，直接降低約71A，節(jié)能效果十分明顯，節(jié)電效率高達(dá)34.5%。

相比工頻控制下的2#給水泵，1#給水泵再經(jīng)過(guò)變頻技術(shù)升級(jí)改造后其節(jié)電經(jīng)濟(jì)效益十分明顯，每月大約可以節(jié)約49.30-32.29=17.01（萬(wàn)kW.h），如果按照0.7元/kW.h計(jì)算，一臺(tái)給水泵進(jìn)技術(shù)升級(jí)改造后，每年大約可以節(jié)約電費(fèi)約：17.01×12×0.7=142.9（萬(wàn)元）。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述節(jié)能技術(shù)與節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算分析，可知在給水泵電機(jī)節(jié)能技術(shù)升級(jí)改造方案中，采用變頻技術(shù)，不僅可以節(jié)約電能、水能等資源，同時(shí)還可以有效提高整個(gè)供水系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化調(diào)節(jié)調(diào)控性能，減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了日常維修費(fèi)用，減輕了電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)、電機(jī)等得沖擊作用，有效延長(zhǎng)了水泵、電機(jī)等設(shè)備的使用壽命，是給水泵電機(jī)節(jié)能技術(shù)升級(jí)改造的有效途徑。

參考文獻(xiàn)

[1] 何超．交流變頻調(diào)速技術(shù)[M]．北京：中國(guó)航空航天大學(xué)出版社，2006.

[2] 張文海，譚紅軍，車吉善，等．電動(dòng)給水泵變頻調(diào)速改造可行性研究[J].電機(jī)控制與英語(yǔ)，2008，35（4）．

（責(zé)任編輯：葉小堅(jiān)）