淺談清水泵站變頻調速節能技術原理

林彩榮

（廈門水務中環制水有限公司，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，對供水管網中的負荷變化常通過調節閥門來實現，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流調節流量造成的。那么有些清水泵站運轉時，基本上就沒有使用閥門節流調節流量，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流調節流量，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，而管路系統需要的能量只有HB′，水泵裝置的能量處于供大于需的狀態，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，管路系統對能量的需求由二部分組成，一是用來克服管路系統中各種阻力所需要的能量。對于特定的泵站，管路阻力參數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，管網再增加一定的水壓，那么管網就會產生過剩水壓，管路系統需要的能量自然就會增加，曲線Ⅱ隨之向上移動。

據此，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流調節流量，完全是由水泵自動完成的。可是管路系統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，需繼續提高管網中的過剩水壓，以擴大管路系統對能量的需求，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，此狀態表示管網的水壓已達到設計工作壓力，不能再升高了。可是，此刻水泵裝置的能量供需關系仍未達到平衡，還需要繼續調整。

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流調節流量的方法）改變管路阻力參數S，迫使管路系統的性能曲線的曲率增加，形態變徒，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，當管網的用水量在QA～QD區間波動時，被浪費掉的能量基本上都轉變成了管網中的過剩水壓。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能的理論依據是水泵的比例率：

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，其主要性能參數的變化規律。

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，管路等設備的規格、型號及相關的技術參數均保持不變，不同的僅是水泵的轉速是連續可調的。相關曲線見圖2。

假設某時刻管網的用水量同樣由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，此狀態表示由于管網用水量發生變化，導致水泵裝置能量供需關系出現了不平衡，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，其實際工況點已經移到了B′點。

由分析可知，水泵裝置以調速運轉時，管網的用水量由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。節約下來的能量正好等于在定速運轉時被浪費掉的能量。可以這么說，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省下來，而且被浪費的越多，節能的潛力越大。

3 應在清水泵站全面推廣使用水泵變頻調速技術

清水泵站是企業節能工作的重點，與原水、污水等泵站相比，清水泵站的流量變化幅度更大，具有更大的節能潛力。我們知道，清水泵站的設計工況點是按管網最高日，最大時設計秒流量計算的。在實際運轉時，管網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，管網的用水量都會出現大幅度的波動。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。

清水泵站要保證節能效果，就離不開性能優良的調速裝置。交流變頻調速裝置具有調速范圍寬，動態響應快的特點，還具有閉環控制和PID人工智能調節工能，可以根據流量的變化，自動調節水泵的轉速，能有效地保證節能效果，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。節能即是一項技術經濟工作，也是一種社會責任，為了提高企業節能工作水平，應集中有限的資金，突破節能工作的重點，才能使企業的節能工作有一個跨越式的發展。

[1] 泵站節能技術[M].北京:水利電力出版社.

[2] 山厚生.交流變頻調速的節能效果及估算電氣傳動，2008.