水廠二級泵站中水泵的變頻調速節能技術

顧兵

（鹽城匯津水務有限公司，江蘇 鹽城 224000）

1 水泵變頻調速運行的節能原理

水廠機泵的選型,一般是按城市最高日，最大時的需水量來確定的，但管網供水顯然不是恒定流量，因此在部分時段里機泵都處于低負荷運行。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-水泵的實際揚程

Q-水泵的實際出水量

HX-水泵在Q=0時所產生的虛總揚程

SX-泵體內虛阻耗系數

HST-水泵靜揚程

S-代表長度及直徑已定的管道的沿程與局部阻力之和的系數

水泵裝置的工況點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點，也即為水泵特性曲線與管道特性曲線的交點。當曲線改變時，工況點就會轉移。二級泵站傳統的運行方式是進行臺數的切換或閥門調節，水泵恒速運行。

根據離心泵的特性曲線公式：

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

可求出運行在b點泵的軸功率和c點泵的軸功率分別為：

兩者之差為：ΔN＝Nc-Nb=R×Q2×（Hb－Hc）/102η

也就是說，用閥門控制流量時，有ΔN功率被損耗浪費掉了，且隨著閥門不斷關小，這個損耗還要增加。在水廠二級泵房水泵機組實際運行中我們常見的就是通過調節閥門的開啟度來調節流量，即通過增大管網的阻力來平衡水泵的工況（使管道特性曲線變陡）。因為管網的用水量是每時每刻都在變化的，而二級泵站的分級也是有限的，靠水泵臺數的切換是不現實的，所以常采用閥門節流措施。雖然使用閥門節流，水泵的軸功率會隨著流量的減少而減少，且操作方便易行，但從經濟上看，節流調節很明顯是用消耗水泵的多余能量來維持一定的供水量；

而用轉速控制時，由于流量Q與轉速n的一次方成正比；揚程H與轉速n的平方成正比；軸功率P與轉速n的立方成正比，即功率與轉速n成3次方的關系下降。如果不是用關小閥門的方法，而是把電機轉速降下來，那么在運轉同樣流量的情況下，原來消耗在閥門的功率就可以全避免，取得良好的節能效果，這就是水泵調速節能原理。

2 變頻調速的基本原理

變頻調速的基本原理是根據交流電動機工作原理中的轉速關系：

式中：f-水泵電機的電源頻率（Hz）；p--電機的極對數；

式中：P-水泵電機的軸功率（Hz）；T-電機的電磁轉矩；n-電機的轉。

由上公式（1）和（2）可知，均勻改變電動機定子繞組的電源頻率f，就可以平滑地改變電動機的同步轉速。電動機轉速變慢，軸功率就相應減少，電動機輸入功率也隨之減少。這就是水泵變頻調速的節能作用。

3 水泵變速調節中不同運行方式的節能分析

目前，隨著科學技術的發展，變速調節運行正成為發展的趨勢（其中，變頻調速是其主要方式）。變速調節主要有二種運行方式：①恒壓變流量運行方式②變壓變流量運行方式。下面，我們從能量消耗的角度上來分析恒壓變流量運行方式和變壓變流量運行方式。

3.1 恒壓變流量運行

圖3

恒壓運行時的特性曲線如圖3所示，當管網中的流量從設計流量Q1降為Q2時，壓力保持不變（恒為H0），由于水泵采用變頻調速，即有原來的滿轉速n變為n1，理論上此時水泵需要消耗功率為Q2*H0，雖然小于恒速運行時的消耗功率Q2*H1，但仍大于管網此時需要的消耗功率Q2*H2。同恒速運行時一樣，多消耗的功（Q2*H0-Q2*H2）仍然是無效地消耗于管網之中。但從效率特性曲線圖可知，采用變速運行水泵的效率提高了（由ηA提高到ηB，C點為D點的等效點）；且這種運行方式供水品質優良，可在任何情況下同時滿足全網各用戶對供水的流量與揚程的不同要求。

圖4

3.2 變壓變流量運行

從圖4特性曲線可知，當管網中的流量從設計流量Q1降為Q2時，由于水泵采用變速運行，使轉速從n調為n2，并使水泵的出水壓力剛好等于H2，此時理論上水泵的輸出功率為Q2*H2，而此時管網需要消耗功率也為Q2*H2，兩者剛好相等，水泵也達到其平衡工況點，因此這種運行方式是最節能的。同恒壓運行一樣，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，變速運行相對恒速運行來說，是通過以下兩個途徑節能的：第一是提高了水泵的效率 ；第二是降低用閥門節流引起的壓力損失。通常變速運行比恒速運行多節能12%左右。變速運行中，雖然變壓比恒壓方式節能，但并不能說變壓就一定比恒壓好，而應根據實際情況具體分析。恒壓運行無須知道流量，只要有一個壓力傳感器就行；而變壓運行是根據流量變化從而使壓力作出相應的變化，它必須知道用水量，也就是說，變壓運行必須要有流量計，因此，變壓運行的造價比恒壓運行要高。

在水泵采用變速調節方式時，采用恒壓運行方式較安全及經濟。在室內外供水系統中大多為此類情況；而在自來水廠中，配水管網一般阻力都較大，即管道特性曲線較陡，應采用變壓運行方式才能最大限度的節能。當然，先進的調速設備價格較為昂貴，一次投資較大，因此不能盲目地認為變速調節就一定能節能，當管網中有水塔和水池且其調節容積足夠大時，就沒有必要采用變速調節了。

4 水泵變頻調速控制系統的基本設計

目前，國內在水泵控制系統中使用變頻調速技術，大部分是在開環狀態下，即人為地根據工藝或外界條件的變化來改變變頻器的頻率值，以達到調速目的。系統主要由四部分組成：(1)控制對象(2)變頻調速器(3)壓力測量變送器（PT）(4)調節器（PID）。系統的控制過程為：由壓力測量變送器將水管出口壓力測出，并轉換成與之相對應的4～20mA標準電信號，送到調節器與工藝所需的控制指標進行比較，得出偏差。其偏差值由調節器按預先規定的調節規律進行運算得出調節信號，該信號直接送到變頻調速器，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連續可調電壓與頻率的交流電，直接供給水泵電機。

5 水泵變頻調速應用的注意事項

水泵調速一般是減速問題。當采用變頻調速時，原來按工頻狀態設計的泵與電機的運行參數均發生了較大的變化，另外如管路特性曲線、與調速泵并列運行的定速泵等因素，都會對調速的范圍產生一定影響。超范圍調速則難以實現節能的目的。因此，變頻調速不可能無限制調速。一般認為，變頻調速不宜低于額定轉速50%，最好處于75%～100%，并應結合實際經計算確定。

5.1 水泵工藝特點對調速范圍的影響

理論上，水泵調速高效區為通過工頻高效區左右端點的兩條相似工況拋物線的中間區域。實際上，當水泵轉速過小時，泵的效率將急劇下降，受此影響，水泵調速高效區萎縮,若運行工況點已超出該區域，則不宜采用調速來節能了。

5.2 定速泵對調速范圍的影響

實踐中，供水系統往往是多臺水泵并聯供水。由于投資昂貴，不可能將所有水泵全部調速，所以一般采用調速泵、定速泵混合供水。在這樣的系統中，應注意確保調速泵與定速泵都能在高效段運行，并實現系統最優。此時，定速泵就對與之并列運行的調速泵的調速范圍產生了較大的影響。主要分以下兩種情況：

5.2.1 同型號水泵一調一定并列運行時，雖然調度靈活，但由于無法兼顧調速泵與定速泵的高效工作段，因此，此種情況下調速運行的范圍是很小的。

5.2.2 不同型號水泵一調一定并列運行時，若能達到調速泵在額定轉速時高效段右端點揚程與定速泵高效段左端點揚程相等。則可實現最大范圍的調速運行。但此時調速泵與定速泵絕對不允許互換后并列運行。

結束語

變頻調速技術用于供水企業二級泵房水泵的控制系統，具有調速性能好、節能效果顯著、運行工藝安全可靠等優點。在大力提倡節約能源，認真落實科學發展觀的今天，在供水企業二級泵房中使用這種集現代先進電力電子技術和計算機技術于一體的高科技裝置，對于提高勞動生產率、降低生產能耗，節約成本具有重大的現實意義。

【1】鄭立剛淺析二級泵站中水泵的調速節能【J】.山西建筑，2007.