水泵應用中變頻調速方案的選擇

孟令柏

(中國恩菲工程技術有限公司 電氣及自動化事業部，北京 100038)

水泵應用中變頻調速方案的選擇

孟令柏

(中國恩菲工程技術有限公司 電氣及自動化事業部，北京 100038)

討論了閥門和變頻調速兩種水泵流量調節方法，指出變頻調速在水泵節能方面的優勢。對變頻投資回收年限公式進行了推導，并由其繪制了回收年限曲線，以此對變頻調速方案的經濟性給出直觀的評價。由回收年限曲線可以看出，變頻調速調節流量方式的經濟性由流量調節比決定，調節比越大，經濟效益越佳，反之則越差。

變頻調速；水泵節能；經濟效益

0 引言

水泵在工業中有著大量的應用，其節能意義重大。近年隨著變頻調速技術的成熟，其在水泵的節能與流量調節方面得到了大量應用[1-2]。由流量調節的基本原理可知，變頻調速方式在節能方面具有優勢。綜合考慮變頻器自身投資與節能效果，本文對變頻調速方案的經濟性及其影響因素進行分析，其結論用于幫助設計者判斷采用變頻調速方案的必要性。

1 兩種調節方案對比

1.1 閥門調節方式

通過調節水泵出口閥門開度，改變管路特性，進而達到流量調節的目的。如圖1所示，當閥門關小時，管道特性曲線發生變化，其與水泵特性曲線的交點(泵的工作點)由A點移至B點。此時Q變小，H升高。泵的軸功率為[3]：

N=QHγ/η

(1)

式中N—軸功率，kW；Q— 水泵流量，m3/h；H—水泵揚程，m；γ—流體重度，kg/m3；η—泵效率，%。

公式(1)中N正比于圖1中各工作點橫縱坐標所圍成的面積。由圖1可見，關小閥門在減小流量的同時，提高了揚程，其軸功率變化并不明顯。而隨著揚程的增加，水流阻力增大，增加了設備磨損。由此可見，僅通過調節閥門開度的方式調節流量，不僅造成了較大的能量損耗，且增加了設備維護的成本。

圖1 閥門調節方式

1.2 變頻調節方式

通過變頻器改變泵的轉速，從而達到調節泵出口流量的目的。如圖2所示，當泵的轉速由n1向下調至n2時，其工作點由A點移至B點。改變電機轉速時，其效率基本不變，而流量Q、揚程H、功率N及轉速n之間的參數變化如下[2]:

(2)

由圖2可見，通過變頻調速，在減小流量的同時軸功率明顯下降。同時，隨著揚程的減小，水流阻力減小，設備磨損得到改善。由此可見，變頻調節方式在節能和設備維護方面具有明顯的優勢。

圖2 變頻調節方式

2 變頻調速經濟分析

變頻器投資FP見公式(3)：

FP=PPKKNe

(3)

采用變頻調速每年節約的成本Fj可由公式(4)給出：

(4)

變頻器投資回收期TB可由公式(5)給出：

(5)

式中Ne—水泵額定軸功率，kW；KK—電機功率與泵軸功率的比值，%；PP—變頻器單位功率價格，元/kW；ηP—變頻器效率，%；Qe—泵額定流量，m3/h；Qt—泵實際流量，m3/h；Tn—泵年運行時間，h；Fd—電費，元/kWh。

下面根據某工程應用取實際數據如下：

PP：1200元/kW；KK：1.3；Tn：6500 h；Fd：0.5元/kWh；ηP：0.92；帶入公式(5)得：

(6)

由上述例子可以總結一般規律如下：

(1)對于需要較大范圍調節流量的水泵，變頻調速方案具有絕對優勢。

(2)如采用閥門調節方式，在水泵流量選型時應盡量減少富裕量，從而減小能量損失。

圖3 變頻投資回收年限曲線

3 結論

變頻調速方式的選用需綜合考慮自身的投資和其節能效果。本文對變頻投資回收年限公式進行了推導，并繪制了投資回收年限曲線，由其可以對方案的經濟合理性作出直觀的評價。結果表明，變頻調速帶來的經濟效益隨流量調節比的變化而不同：流量調節比越大，采用變頻節能的優勢越明顯。

[1] 張宗桐.變頻器應用與配套技術[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2] 林啟華.泵與風機的變速節能[M].北京：水利電力出版社，1987.

[3] 關醒凡.泵的理論與設計[M].北京：機械工業出版社，1987.

中鋁公司成功試制出特大型弧形模鍛件

中鋁公司西南鋁企業成功試制出特大型弧形模鍛件，并順利通過用戶技術檢測，填補了國內在此類鍛件生產上的空白。特大型弧形模鍛件主要應用于航空領域的關鍵件，對模鍛工藝要求極高，是高技術含量和高附加值的加工產品。該產品的成功產出，為中鋁公司生產超規格鍛件產品積累了寶貴經驗及可靠試驗數據，進一步提升了中鋁公司對我國航空航天特需材料的保障能力。

節能銅包鋁管母線技術填補國內空白

中國工業節能與清潔生產協會在北京召開了“節能銅包鋁管母線”科技成果鑒定會。

與會專家聽取了廣東日昭電工有限公司關于節能銅包鋁管母線的研制技術報告、現場檢測報告等，考察了成果樣品和生產現場，并對樣品做了額定電流溫升和絕緣耐壓水平試驗。

經質詢討論，專家一致表示，日昭電工產品經電力工業電氣設備質量檢驗測試中心對產品額定電流溫升，絕緣耐壓等性能試驗，結果合格，技術性能指標符合：Q/BLRZ2—2013《節能銅包鋁管母線》企業標準及相關國家標準的要求。產品經鑒定委員會測試小組現場抽測，結果合格；產品經SGS(通標標準技術服務有限公司能效與低碳服務部)評估，在4000A的條件下，銅包鋁管母線與銅排相比節能效果明顯。

鑒定專家表示，節能銅包鋁管母線結構設計新穎，提高了銅的有效利用率，增大了導體載流的有效截面，使其額定電流溫升降低至≤30K，另外，延長絕緣材料壽命，節省銅材，減輕導體重量，增強機械強度的優異效果。該成果填補國內空白，技術水平居國際先進。

六冶完成河北龍城煤綜合利用項目反應窯安裝

由六冶機電公司承建的河北龍城煤綜合利用有限公司項目，順利完成6.2 m反應窯的安裝，標志著該項目施工的控制性環節順利宣告結束。

6.2 m反應窯項目，是在世界上首次采用回轉窯生產工藝，制煉煤焦油及貴重金屬的新型爐窯，目前已獲多項世界專利和幾十項國家專利，是國家相關部門極力推薦的節能、環保的高科技項目。該反應窯的安裝成功不僅對六冶公司首次安裝此類大型爐窯，更對該項目的即將點火產生了積極影響。

六冶機電承建的施工內容包括反應窯內保溫、內襯、內膽、輻射管及其支架的制作和安裝，窯外設備及管道安裝，涵蓋了整個爐窯的全部施工工藝。六冶龍成項目全體員工，在多個環節通過創新施工壓縮了大量工期，如測量放線施工，原定10天的工期僅用了3天，內輻射管支架的安裝由于摒棄了落后的施工工藝而自行研究新工藝，使原定30天的工期縮短到了10天。內敷設管道由于長度較長(最長可達53 m)，數量龐大，而且需要整根穿窯，給后期的吊裝工作帶來了很大困難。項目部領導及時組織人員實地勘察，多方論證，最終解決了問題。

我國自主研制首套焦爐氣制壓縮天然氣裝置投產

由西南化工研究院與四川天科股份自主研制和設計的30000標立每小時焦爐氣甲烷化制壓縮天然氣工業裝置，日前已在河北邯鄲市裕泰燃氣有限公司投產。這是我國首套焦爐氣制壓縮天然氣裝置，可實現年減排二氧化碳90萬t、年產天然氣1億m3。該項目開辟了我國重污染工業廢氣制備清潔能源的新途徑。

目前，西南化工研究院、天科股份正與山西國新正泰、山西襄礦恒通等多家單位合作焦爐氣甲烷化項目，已向10余家企業提供技術轉讓，為30多家企業提供項目可研報告。

十九冶集團承建全國最大燒結項目投產

2014年1月2日，十九冶集團承建的全國最大燒結項目——日照鋼鐵控股集團有限公司營口1×600 m2燒結機工程于當天下午順利投產。

日鋼營口600 m2燒結機工程位于遼寧省營口市老邊區五礦規劃廠區內，是適用于大、中型規模的燒結廠對鐵礦粉的燒結處理黑色冶金項目。十九冶集團主要負責生產車間中的燒結室，配料室，一、二混合室的土建、設備安裝，金屬結構制作安裝，車間內介質管線制作安裝，給排水、采暖、通風除塵、熱力管道等施工內容。

該項目自2013年2月26日開工后，十九冶集團先后保證了大型框架梁澆筑、鋼漏斗吊裝、圓盤給料機安裝等節點的順利完成，在后期又克服了嚴寒天氣的不利影響，經過312天努力，最終在業主規定的投產時間之前完成施工任務。

五龍集團焦鎂綜合利用項目投產

2014年1月2日，隨著第一爐1.1 t鎂錠的出產，垣曲五龍集團110萬t焦化和6萬t鎂合金綜合利用項目正式投產。五龍集團焦鎂綜合利用一期項目總投資12.8億元，于2010年11月開工建設，是五龍集團“焦—鎂—電—硅—建材—鎂合金深加工”循環經濟產業項目的一期。項目全面投入運營后，每年可生產焦炭110萬t、鎂合金6萬t、洗精煤150萬t、煤焦油5.2萬t等，實現產值30億元。

目前，該項目日產焦炭800 t，達到國家二級標準，已累計產出焦炭2.6萬余噸，產品銷往江蘇、河南等地。預計到2月底，項目可達到日產焦炭1000 t、鎂錠40 t的生產規模。

中國兵器晉西銅業8項專利獲授權

中國兵器工業集團公司晉西集團晉西銅業8項實用新型專利獲得國家知識產權局授權。近年來，該公司大力開展技術創新工作，研發技術人員攻堅克難成功研發了銅板帶側彎檢測裝置、銅合金保溫爐爐頭箱控流裝置、大卷帶材鐘罩爐退火的對流盤裝置等8項技術。

其中，在改造大卷帶材鐘罩爐退火的對流盤裝置上，科研人員通過分析決定在傳統退火料盤基礎上增加底盤側部邊圈的對流孔及隔板，改造后的裝置使得氣流在爐內大循環的基礎上，增加了每個帶卷自身的小循環，這樣既加速了溫度的平衡，又避免了退火后軟態帶卷材邊部被扇形板磕碰的現象。此套對流盤裝置保護了產品質量，提高了產品良品率，有效縮小了帶卷不同位置的溫差，保證了產品機械性能的均勻一致性，還可廣泛適用于各種帶材的罩式爐退火工序。

《直接氧化鋅化學分析方法》通過審定

全國有色金屬標準化委員會審定通過了水口山集團公司技術中心起草的《直接氧化鋅化學分析方法》項目。

2012年底，根據國家標準化管理委員會和工業信息化部《關于印發直接氧化鋅化學分析方法等15項標準任務落實會會議紀要的通知》安排，由水口山有色金屬集團有限公司起草，國內9家單位參與起草驗收《直接氧化鋅化學分析方法》重新修訂工作。《直接氧化鋅化學分析國家標準方法GB/T4372.1～6-2001》已經使用12年，產品技術指標已做修訂。

直接法氧化鋅是以鋅焙砂為原料直接焙燒制得的，含氧化鋅量要求達到98%以上，主要雜質有鉛、銅、鎘、錳、鐵。水口山集團公司技術中心于2013年初開始開展該項目，用了近一年的時間，進行方法研究、精密度試驗、書寫實驗報告，并于2013年底參加了正式評審。水口山集團公司在修訂中保留了原標準的內容，新增了原子吸收光譜法測定三氧化二鐵量，ICP測定雜質的含量，進一步完善了該方法，使測定范圍更廣，實用性更強。試驗證明《直接氧化鋅化學分析方法》的測定范圍和精度能夠滿足直接氧化鋅的檢測要求，達到了國際一般水平。

該標準的發布實施將規范直接氧化鋅的分析檢測方法，通過推廣和應用，將能夠滿足直接氧化鋅產品在生產和使用中的檢測需要。

西南鋁航空鋁合金板材預拉伸機裝備通過鑒定

由中國機械工業聯合會組織，中國重型機械研究院股份公司、西南鋁業、重慶大學等參與完成“12000噸航空級鋁合金板材預拉伸機裝備”項目的單位有關負責人參加了對西南鋁“12000噸航空級鋁合金板材預拉伸機裝備”項目進行科技成果的鑒定會。

在考察12000噸拉伸機裝備生產現場的基礎上，鑒定委員會的專家們聽取了項目科技成果報告，審查了相關資料，經過質詢和討論，對項目取得的成果給予了充分肯定，同時就項目今后的研究方向提出了意見和建議。

鑒定委員會一致認為，西南鋁12000噸航空級鋁合金板材預拉伸機裝備經過兩年多生產使用，設備運行穩定，性能可靠，批量生產出合格的航空鋁合金厚板，使用效果良好，創造了顯著的社會和經濟效益。同時該項目取得了多項創新性成果，總體上達到國際先進水平，一致同意該成果通過鑒定。

遼寧忠旺集團兩項技術獲2013年度省科技進步獎

2013年度遼寧省科學技術獎評選結果揭曉：由遼寧忠旺集團獨立研發的7XXX硬質鋁合金直徑582毫米圓鑄錠制造技術獲省科技進步獎二等獎，動車組用鋁合金擠壓型材加工技術獲省科技進步獎三等獎。在此之前，7XXX硬質鋁合金直徑582 mm圓鑄錠制造技術于2011年被認定為遼寧省級科研成果，曾獲2012年遼陽市科學技術獎一等獎，2012年中國有色金屬工業科學技術獎三等獎，2012年省級優秀新產品獎三等獎；動車組用鋁合金擠壓型材加工技術于2011年被認定為遼寧省級科研成果，曾獲2012年省級優秀新產品獎一等獎，2012年遼陽市科學技術獎一等獎，2012年中國有色金屬工業科學技術獎二等獎等榮譽。

7XXX硬質鋁合金直徑582mm圓鑄錠制造技術適用于有色金屬鋁合金冶煉鑄造業。7XXX鋁合金是可強化熱處理型高強鋁合金，具有極高的強度和硬度、優良的理化性能及較好的耐腐蝕性、較高的韌性和焊接加工性等工藝特點，已被廣泛應用于航空航天、交通運輸、裝備制造等多個領域，是實現交通裝備輕量化、材料國產化的首選材料。

動車組用鋁合金擠壓型材加工技術主要適用于高速列車車體鋁合金擠壓型材的專項加工。動車組等高速列車專用型材是現代化高速交通運輸工具的關鍵材料，同時也是裝備輕量化發展的首選材料。產品斷面結構復雜，屬于高新技術產品。

河南鼎鑫鎂業年產300萬只鎂合金輪轂項目開建

河南省林州市鼎鑫鎂業科技公司年產300萬只鎂合金汽車輪轂項目在該市開發區開工建設。該項目是河南龍鼎鑄業有限公司與美國諾思達國際集團簽約的合作項目。林州市是中國鑄造協會確定的“中國汽車鑄造產業基地”。美國諾思達國際集團是專門從事汽車零部件生產和銷售的國際知名企業，長期向通用、福特等國際知名大型汽車生產商供貨

該項目采用先進的鎂合金汽車輪轂制造工藝，總投資10億元，一期投資2億元，年產60萬只。據了解，鼎鑫鎂業公司訂購的大型鍛壓機將于2014年6月交貨，爭取2014年“十一”前，安裝調試完并試生產，力爭年底產品投放市場。

寧夏能源鋁業：400kA電解獲“金牌電解系列”稱號

寧夏能源鋁業寧東分公司400 kA電解系列憑借噸鋁鋁液氧化鋁單耗、氟化鹽單耗、陽極毛耗、電解鋁綜合交流電耗、標準效應系數及鋁錠99.70以上品級率六項考核指標均優于集團公司鋁板塊對標值的成績，獲得了集團公司2013年度金牌電解系列稱號。尤其是電解鋁綜合交流電耗一項，在集團公司14個電解系列中位居榜首，較對標先進值低329 kWh/t-Al。

400 kA電解系列由沈陽鋁鎂設計研究院設計，于2011年10月30日全部投產。從通電投產、焙燒啟動到生產運行，寧東分公司探索出了適合新型陰極鋼棒結構電解槽的工藝控制思路和技術。

焙燒啟動是保障電解槽能否高效運行的基礎。分公司技術團隊通過選擇焙燒介質、合理調整焦粉配比、精心組織裝爐作業、嚴密監測電解槽焙燒作業過程及確保各工序操作質量等措施，較好地解決了鋁電解槽焙燒過程中爐膛溫度升溫不可控、爐膛溫度不均勻等難題，為延長槽壽命和保持電解槽正常生產奠定了基礎。電解槽進入啟動后期，又采取強化新開槽管理、嚴格執行降電壓計劃及按照標準規范調整電解質成分等措施，為穩定電解槽技術創造了條件。

生產過程中，分公司以“穩定為前提，條件是基礎，爐膛是根本，分子比是關鍵”為工藝控制路線，通過采取堅持低電壓、低分子比工藝控制思路、加大把控力度、及時剖析各工區生產指標完成情況、推行精細化操作及優化基礎管理、發揮技術人員智慧等措施，2013年，系列電解槽實現了安全平穩運行，各項經濟技術指標處于集團公司內部最好水平。其中，電解槽平均電壓3.902 V，電解鋁鋁產品綜合交流電單耗13271 kWh/t-Al，鋁液陽極毛耗489.0 kg/t-Al，鋁液氟化鹽單耗17.9 kg/t-Al，鋁液氧化鋁單耗1920 kg/t-Al，標準效應系數0.03次/槽·日，鋁錠99.70以上品級率100%，在集團公司鋁板塊對標中，系列六項指標全部達到集團公司先進標準值，先進指標達標率100%。系列鋁產品綜合交流電單耗與2012年全國電解鋁行業平均值相比，噸鋁節電573 kWh。

3年來，400 kA電解系列還獲得國家實用新型專利4項，其中，《節能型SY400預焙陽極鋁電解槽研發與應用》項目通過中國有色金屬工業協會鑒定，整體成套技術達到國際領先水平，并獲得協會科技進步二等獎，成為國內電解鋁示范工程。

銅冠機械公司研發出新型AT2000天井鉆機

銅冠機械公司成功研發出安徽省第一臺新型AT-2000天井鉆機。AT-2000天井鉆機適應于各種地下礦山及水利工程的大斷面天井和溜井的掘進，是一種利用旋轉鉆進破巖成孔并能反向擴孔的井筒開挖機械，可一次性成形孔徑2 m的天井，具有高效能、高質量、高效率等特點，其天井成孔效果好，偏斜率小，孔壁光滑。

AT-2000天井鉆機的掘進方法與普通法、吊罐法、爬罐法以及深孔爆破法等相比，具有施工效率高、工期短、生產成本低以及安全性能高等優點。此外還解決了大高度天井帶來的高溫、通風不良等因素造成的人工無法施工的難題，改變了傳統的開拓方法，節省了大量人力與財力。

(信息除署名外摘自檢索)

SelectionofFrequencyControlSchemeforPumpApplication

MENG Ling-bai
(Electrical and Automation Department, China ENFI Engineering Corporation, Beijing 100038, China)

Valve opening control and frequency control are discussed for pump flow regulating, it is showed that the frequency control method has obvious advantages in energy saving. Capital pay-off time for converter and the relevant curve is deduced, which is used to appraise the economic performance. According to the curve, the economic performance is decided by the flow turndown radio, the larger the radio is, the greater the economic performance is.

frequency control；pump energy saving；economic performance

2014-01-16

孟令柏(1978-)，女，河北遷安人，工程師，碩士研究生，主要從事電氣及自動化設計工作。

TM921.51

A

1003-8884(2014)02-0056-02