淺談清水泵站變頻調速節(jié)能技術原理

林彩榮

（廈門水務中環(huán)制水有限公司，福建 廈門 361000）

自來水廠的清水泵站（二級泵站）是自來水生產(chǎn)過程中能源消耗的重點部位之一。長久以來，水泵一直延用定速的方式運轉，對供水管網(wǎng)中的負荷變化常通過調節(jié)閥門來實現(xiàn)，這種運轉方式使得清水泵的能耗高，運行成本大。本文從水泵的運行工況分析，來闡述能耗高的原因及采用變頻調速的節(jié)能原理，提倡清水泵站應全面使用變頻調速技術。

1 水泵定速運轉能耗分析

有人認為，清水泵站能耗高，主要是因為使用閥門節(jié)流調節(jié)流量造成的。那么有些清水泵站運轉時，基本上就沒有使用閥門節(jié)流調節(jié)流量，難道這些泵站就不會耗電了嗎？事實上，水泵裝置以定速運轉，即使沒有使用閥門節(jié)流調節(jié)流量，但是只要水泵裝置運轉時的實際工況點偏離了設計工況點，就會產(chǎn)生能量的浪費。

為了簡化敘述，下面我們將以單臺水泵裝置為例進行能耗分析。清水泵站一般都是以多臺水泵并聯(lián)運轉的，對此可以按等揚程條件下，流量疊加的方法，繪出二臺或二臺以上水泵并聯(lián)運轉時的Q-H（n0）特性曲線，并將其假想成是一臺大型的新泵。經(jīng)過這樣的處理后，就可按以下的方法進行分析了。

某清水泵站使用的離心式水泵裝置的性能曲線，如圖1所示，曲線Ⅰ是水泵在額定轉速（n0）下的Q-H（n0）性能曲線，它表明水泵供出的能量隨著流量的增加而降低。曲線Ⅱ是按管路系統(tǒng)的Q-H關系式H=H凈+SQ2繪制的管路性能曲線，它表明管路系統(tǒng)需要的能量隨著流量的增加而上升。曲線Ⅰ和曲線Ⅱ相交于A點（QA、HA），A點是按管網(wǎng)最高日，最大時的設計秒流量計算出的設計工況點。水平點劃線PL是以HA為基準設定的出站水壓控制下限。水平點劃線PH是為了防止管網(wǎng)水壓超過管路的設計工作壓力而設定的出站水壓控制上限。

假設某時刻管網(wǎng)的用水量由QA減少為QB，那么水泵裝置的實際工況點將隨之發(fā)生改變。過QB作垂線與曲線Ⅰ和曲線Ⅱ分別相交于B和B′，如圖1所示，從圖上看出，當流量由QA減少為QB時，水泵供出的能量由HA升到了HB，升高了△HB1=HB-HA。而管路系統(tǒng)需要的能量則由HA降到了 HB′，降低了△HB2=HA-HB′。水泵供出的能量為HB，而管路系統(tǒng)需要的能量只有HB′，水泵裝置的能量處于供大于需的狀態(tài)，供需差距為△HB=HB-HB′=△HB1+△HB2。此狀況表明，水泵裝置的能量供需關系是失衡的，需要進行調整。

圖1

水泵是以定速成運轉的，所以供出的能量將不能改變，曲線Ⅰ的形態(tài)也保持不變，在這種情況下需調整能量供需關系，只能改變管路系統(tǒng)對能量的需求了。在供大于需的情況下，這無疑擴大了管路系統(tǒng)的能耗，這也正是水泵定速運轉能耗高的關鍵。

由關系式H=H凈+SQ2可知，管路系統(tǒng)對能量的需求由二部分組成，一是用來克服管路系統(tǒng)中各種阻力所需要的能量。對于特定的泵站，管路阻力參數(shù)S是一定值。但是通過改變管路上的閥門的開啟度，S值將隨之改變。二是用來克服地形高差和保持管網(wǎng)中必要的水壓所需要的能量（H凈）。由此可知，如果在H凈的基礎上，管網(wǎng)再增加一定的水壓，那么管網(wǎng)就會產(chǎn)生過剩水壓，管路系統(tǒng)需要的能量自然就會增加，曲線Ⅱ隨之向上移動。

據(jù)此，以 H=（H凈+△HB）+SQ2式，代入不同的流量進行計算，把計算結果標注在圖1上，再用平滑的曲線將各點連接起來，就得到一條上移的管路性能曲線，如圖中曲線Ⅲ。從圖中看到B′隨同曲線Ⅲ向上移動了△HB的高度，最終在B點與B重合。水泵裝置的能量供需關系最終在B點達到了新的平衡，實際工況點也就移到了B點。

由此可見，管網(wǎng)的用水量由QA減少為QB，水泵裝置的實際工況點則從A點移到了B點，整個過程并沒有使用閥門節(jié)流調節(jié)流量，完全是由水泵自動完成的。可是管路系統(tǒng)消耗的能量卻增加了△HB。增加的這部分能量被轉變成了管網(wǎng)中的過剩水壓，最終被浪費掉了，這種浪費容易被人們忽視。

假設某時刻管網(wǎng)的用水量由QB進一步減少到QC，同理，過QC作垂線分別與曲線Ⅰ和曲線Ⅲ相交于C和C′，見圖1，水泵裝置的能量供需差距為△HC=HC-HC′，需要進行調整。

為了使水泵裝置的能量供需關系達到新的平衡，需繼續(xù)提高管網(wǎng)中的過剩水壓，以擴大管路系統(tǒng)對能量的需求，使曲線Ⅲ再向上移動。但是當移動到曲線Ⅳ的位置時，與出站水壓控制上限PH相遇。如圖中D點，此狀態(tài)表示管網(wǎng)的水壓已達到設計工作壓力，不能再升高了?？墒?，此刻水泵裝置的能量供需關系仍未達到平衡，還需要繼續(xù)調整。

這時只有關小水泵出口側管路上的閥門的開啟度，以增大閥門的局部阻力，（即采用通常所說的用閥門節(jié)流調節(jié)流量的方法）改變管路阻力參數(shù)S，迫使管路系統(tǒng)的性能曲線的曲率增加，形態(tài)變徒，如圖中曲線Ⅴ。最終C′在C點與C重合，水泵裝置的實際工況點又移到了C點。

通過調整，管路系統(tǒng)消耗的能量增加了△HC=HC-HC′其中有△HC1的能量被轉變成了管網(wǎng)中的過剩水壓，有△HC2的能量是被閥門直接消耗掉了。

由圖可以看出，當管網(wǎng)的用水量在QA～QD區(qū)間波動時，被浪費掉的能量基本上都轉變成了管網(wǎng)中的過剩水壓。只有當用水量小于QD時，被浪費掉的能量才有一部分轉變成了管網(wǎng)的過剩水壓，而另一部分則被閥門直接消耗掉了。

從以上分析可知，水泵裝置以定速運轉時，只要管網(wǎng)的用水量小于最高日、最大時設計秒流量，水泵裝置的實際工況點就會偏離設計工況點，由此就會造成能量的浪費。水量波動的幅度越大，能量浪費的就越多。

2 水泵調速運轉能耗分析

水泵改變轉速可以節(jié)能的理論依據(jù)是水泵的比例率：

式中，Q（Q′）、H（H′）、N（N′）分別是水泵的轉速為n（n′）時的流量、揚程和軸功率。

以上三式反映出同一臺水泵的轉速改變后，其主要性能參數(shù)的變化規(guī)律。

由此可知，如果水泵裝置的轉速可以改變的話，就等于可以改變其能量供需調整的方法了。我們知道，水泵定速運轉時，在進行能量供需調整過程中，表現(xiàn)出的特點是：以供定需。就是以水泵供出的能量作基準，用擴大管路系統(tǒng)對能量需求的辦法，來達到水泵裝置能量的供需平衡，因此能量浪費嚴重。如果水泵可以調速，那么供出的能量就可以改變，在進行能量供需調整時，就可以管路系統(tǒng)對能量的需求作為基準，從改變水泵的轉速入手，以改變水泵供出的能量，從而使水泵裝置能量供需達到平衡。概括地說，就是按需供給，這樣自然不會再造成能量浪費了。仍以某清水泵站為例，泵站使用的水泵，管路等設備的規(guī)格、型號及相關的技術參數(shù)均保持不變，不同的僅是水泵的轉速是連續(xù)可調的。相關曲線見圖2。

假設某時刻管網(wǎng)的用水量同樣由QA減少到了QB。同理，過QB作垂線與曲線Ⅰ和曲線Ⅱ分別相交于B和B′。此刻水泵供出的能量為HB，管路系統(tǒng)需要的能量為HB′，水泵裝置能量供需之間相差△HB=HB-HB′。如圖2所示，此狀態(tài)表示由于管網(wǎng)用水量發(fā)生變化，導致水泵裝置能量供需關系出現(xiàn)了不平衡，需要進行調整。

圖2

我們先把水泵的轉速由額定轉速n降低到n′，再在曲線Ⅰ上任取幾點，然后把各點的流量、揚程分別代入公式①、②，計算出對應各點的Q′、H′。最后把計算結果標注在圖2上，并用平滑的曲線連接各點，就得到一條下移的轉速為n′的 Q-H（n′）水泵性能曲線，如圖中曲線Ⅲ。B點隨著曲線的下移，最終在B′點與B′重合，表明水泵裝置的能量供需在B′重新達到平衡，其實際工況點已經(jīng)移到了B′點。

由分析可知，水泵裝置以調速運轉時，管網(wǎng)的用水量由QA減少到QB，水泵裝置的工況點則由A移到了B′。由此水泵供出的能量降低了△HB，水泵裝置的能耗得以降低。節(jié)約下來的能量正好等于在定速運轉時被浪費掉的能量?？梢赃@么說，水泵裝置如果改為調速運轉，那么在定速運轉時被浪費掉的能量就能夠節(jié)省下來，而且被浪費的越多，節(jié)能的潛力越大。

3 應在清水泵站全面推廣使用水泵變頻調速技術

清水泵站是企業(yè)節(jié)能工作的重點，與原水、污水等泵站相比，清水泵站的流量變化幅度更大，具有更大的節(jié)能潛力。我們知道，清水泵站的設計工況點是按管網(wǎng)最高日，最大時設計秒流量計算的。在實際運轉時，管網(wǎng)用水量基本上都小于設計秒流量。可以說一年有8760個小時，如果清水泵站延用定速的方式運轉，那么就有8759個小時會偏離設計工況點。每年冬夏，每天的日夜，管網(wǎng)的用水量都會出現(xiàn)大幅度的波動。這些都是造成能量浪費的重要因素，也是決定清水泵站應加快節(jié)能工作、率先使用變頻調速技術的重要因素。

清水泵站要保證節(jié)能效果，就離不開性能優(yōu)良的調速裝置。交流變頻調速裝置具有調速范圍寬，動態(tài)響應快的特點，還具有閉環(huán)控制和PID人工智能調節(jié)工能，可以根據(jù)流量的變化，自動調節(jié)水泵的轉速，能有效地保證節(jié)能效果，但是價格昂貴則是它的最大的弱點。這在一定程度上限制了它的推廣使用。節(jié)能即是一項技術經(jīng)濟工作，也是一種社會責任，為了提高企業(yè)節(jié)能工作水平，應集中有限的資金，突破節(jié)能工作的重點，才能使企業(yè)的節(jié)能工作有一個跨越式的發(fā)展。

[1] 泵站節(jié)能技術[M].北京:水利電力出版社.

[2] 山厚生.交流變頻調速的節(jié)能效果及估算電氣傳動，2008.