水泵變頻運行節(jié)能技術(shù)研究

童乃武 上海鐵路局合肥給水公司

水泵變頻運行節(jié)能技術(shù)研究

童乃武 上海鐵路局合肥給水公司

水泵在我國工農(nóng)業(yè)建設中發(fā)揮著重要作用，而水泵效率是衡量水泵工作效能高低的一項技術(shù)經(jīng)濟指標。在實際運行中應盡力提高水泵效率，降低其能量損失，特別是電能損失帶來的費用投入。對水泵變頻調(diào)速的特性進行分析，介紹水泵節(jié)能調(diào)節(jié)主要方式及其變頻調(diào)速原理，探討了影響變頻調(diào)速范圍的因素，并結(jié)合水泵性能曲線方程，推導出水泵變頻的能耗與節(jié)能率計算公式。

水泵；節(jié)能技術(shù)；變頻調(diào)速；技術(shù)原理；影響因素

節(jié)能減排已經(jīng)成為我國經(jīng)濟開發(fā)規(guī)劃的首要內(nèi)容，目前針對幾大節(jié)能領(lǐng)域，如工業(yè)節(jié)能、交通節(jié)能和建筑節(jié)能等均提出了非常嚴厲的減排方案，其中工業(yè)節(jié)能是重點，而水泵作為是工業(yè)領(lǐng)域的主要機械設備被廣泛應用，與此同時也成為了主要的能耗來源。水泵的運行主要消耗了系統(tǒng)的電能，約占全世界發(fā)電的20%，而其用電則占企業(yè)生產(chǎn)成本的80%。目前我國水泵的運行效率普遍較低，國產(chǎn)水泵的運行效率普遍比發(fā)達國家低5%～10%，實際使用效率則比發(fā)達國家低10%～30%，這說明要想有效開展節(jié)能減排，泵功率的提升成為需要解決的首要問題。

自80年代末以來，我國引進了變頻控制技術(shù)，使水泵的節(jié)電技術(shù)得到快速發(fā)展。隨后，在對進口樣機的性能參數(shù)進行全面測量和記錄的基礎上，自主研制開發(fā)出了多個系列的變頻調(diào)速水泵節(jié)能系統(tǒng)。本文對變頻調(diào)速技術(shù)在水泵節(jié)能方面的應用進行了探討，重點介紹了其技術(shù)原理、影響因素以及相關(guān)計算方法。

1 水泵變頻調(diào)速節(jié)能原理

水泵的變頻技術(shù)可根據(jù)系統(tǒng)整體的工藝要求，通過對壓力、流量、溫度等系統(tǒng)實際運行數(shù)據(jù)的監(jiān)測，來優(yōu)化電動機的電源輸入頻率，調(diào)整轉(zhuǎn)速，控制輸入功率，從而實現(xiàn)“所供即所需”。

變頻調(diào)速技術(shù)是基于非直流馬達的原理，變頻水泵的耗電功率與其發(fā)動機轉(zhuǎn)速呈正比關(guān)系：

在該公式中，f表示水泵電機運轉(zhuǎn)過程的電流頻率(Hz)；P表示電機里的極對數(shù)。通過對馬達定子的繞組電流頻率進行均勻化的改造，就能夠?qū)崿F(xiàn)馬達同步轉(zhuǎn)速的平滑變動；水泵電機的軸功率隨馬達轉(zhuǎn)速的降低而減小，從而導致其輸入電流功率的降低。

2 影響變頻調(diào)速范圍的因素

當使用變頻調(diào)速的方法時，按照原工頻狀態(tài)設計的泵與電機的運行參數(shù)變化較大，水泵的調(diào)速范圍也會受管路特性曲線、與調(diào)速泵并列運行的定速泵等因素的影響。如果調(diào)速超過既定范圍，就不能夠達到節(jié)能的目的。因此，變頻調(diào)速一般是減速問題，并且不可無限制調(diào)速，應結(jié)合實際情況經(jīng)計算確定。其調(diào)速范圍一般大于額定轉(zhuǎn)速的一半，最佳狀態(tài)為75%~100%。

2.1 水泵工藝特點的影響

當水泵調(diào)速在高效區(qū)運轉(zhuǎn)，處于工頻高效兩端位置時，其處在拋物線的中間區(qū)域OA1A2（圖1）；一旦水泵運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速減小，水泵就不能正常工作，水泵效率也隨之降低為PA1A2。當運轉(zhuǎn)的情況點超出這些區(qū)域,就不適合采用調(diào)速節(jié)能手段，必須考慮其他的辦法來加強調(diào)速作用，完成調(diào)速。如圖所示，H0B為管路特性曲線，CB是水泵調(diào)速運行的高效區(qū)間。當C點位于曲線OA1上時，C點和A1點的效率相等。那么此時的C點就是在最小轉(zhuǎn)速時水泵性能曲線高效區(qū)的左端點。

圖1 水泵調(diào)速運行范圍

2.2 定速泵的影響

在實際工程中，一般是將多臺水泵并聯(lián)進行供水。該供水系統(tǒng)不僅成本高，而且?guī)着_并聯(lián)水泵的運行速度也很難進行統(tǒng)一調(diào)節(jié)，所以，往往需要采用調(diào)速泵和定速泵來進行混合供水。在該系統(tǒng)的運行過程中，值得注意的是，要使調(diào)速泵和定速泵的運行處于高效工作段中。此時，調(diào)速泵的調(diào)速范圍受到定速泵的影響極大，具體分為兩種情況：當使用同型號水泵一調(diào)一定并列運行時，調(diào)速運行的范圍很小；當使用不同型號水泵一調(diào)一定并列運行時，則可使調(diào)速運行的范圍大大增加。

2.3 電機效率的影響

我們知道，在系統(tǒng)工況一致的條件下，隨著電機轉(zhuǎn)速的降低，其軸功率也會迅速下降，但是如果電機的輸出功率較其額定功率或者其實際工作頻率較其工頻差別較大，則會導致電機的運行效率迅速下降，從而影響水泵機組的總體效率。同時，當自冷電機在低速下長時間持續(xù)運轉(zhuǎn)時，則會導致風量的不足，影響電機散熱性能，進而對電機的運行安全造成隱患。

3 水泵的節(jié)能率計算

3.1 水泵的性能曲線方程

水泵變頻系統(tǒng)的性能曲線，如揚程-流量（H-Q）、功率-流量（N-Q）、效率-流量（η-Q）等類似于拋物線狀，其曲線擬合方程形式如下：

式中：Q---水泵轉(zhuǎn)速為n時的流量（m3/h）；

H---水泵轉(zhuǎn)速為n時的揚程（m）；

N---水泵轉(zhuǎn)速為n時的輸出功率（kW）；

η---水泵轉(zhuǎn)速為n時的效率（%）；

k---水泵的轉(zhuǎn)速比，k=n/n0。

3.2 水泵能耗計算

流量、揚程、運行時間以及水泵系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的效率是影響水泵系統(tǒng)能耗的主要因素。因此，若要降低水泵系統(tǒng)的能耗，則可以采用減小流量、揚程，縮短其運行時間，或者提升系統(tǒng)各環(huán)節(jié)效率的方法。此外，為了提高變頻調(diào)速水泵運行效率，若系統(tǒng)的工況屬于低負荷段的話，需配置相應的低負荷流量定速泵。當系統(tǒng)負荷率較高時，運行變頻調(diào)速水泵，當系統(tǒng)流量下降到一定程序時，關(guān)閉變頻調(diào)速水泵，啟動小流量的定速泵，這樣更有利于運行節(jié)能。

3.2.1 水泵的輸出功率

水泵的輸出功率（即有效功率）是指單位時間內(nèi)從水泵輸出的流體所增加的能量，可用下列公式表示：

式中Ne--水泵輸出功率（kW）；

ρ--液體密度（kg/m3）；

Q--流量（m3/s）；

H--揚程（m）；

3.2.2 水泵的軸功率

由于流體通過水泵時會產(chǎn)生一定損失，從而導致電動機傳送到水泵軸上的輸入功率，即軸功率增加，則水泵的輸入功率可按照下列公式計算：

式中：N----水泵軸功率（kW）；

η---水泵的效率 (%)。

在水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)中，變頻器的引入是為了調(diào)節(jié)電壓的輸入頻率，以此來改變電機的轉(zhuǎn)速。當轉(zhuǎn)速改變時，變頻器和電機也有一定的功耗，因此應當將變頻器和電動機的效率考慮進水泵變頻系統(tǒng)消耗的總能耗中，則該變頻調(diào)速系統(tǒng)的總能耗為：

式中：ηm---電機的效率；

ηv---變頻器的效率。

采用文獻[13]公式計算電機效率ηm和變頻器效率ηv：

3.3 水泵節(jié)能率計算

設水泵變頻系統(tǒng)的初始能耗為N1，變頻節(jié)能改造后系統(tǒng)的能耗為N2，則該變頻節(jié)能系統(tǒng)的節(jié)能率為：

式中：λ---水泵變頻系統(tǒng)的節(jié)能率（%）

將式（2）、（4）、（7）~（10）聯(lián)立，得到水泵變頻調(diào)速的能耗計算公式：

將上述公式中的中間變量消去，得到水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)總能耗的計算公式，為流量與轉(zhuǎn)速比的函數(shù):

4 結(jié)論

（1）變頻調(diào)速是水泵在滿足正常使用需求前提下的主要節(jié)能方法，其適用條件需根據(jù)用戶需求，經(jīng)計算后確定。

（2）與調(diào)速泵并列運行的定速泵選型是影響水泵變頻調(diào)速范圍的主要因素，調(diào)速與定速泵混合供水能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)。

（3）通過分析變頻調(diào)速的影響因素，結(jié)合水泵性能曲線、變頻器與電動機效率計算模型等，推導出了水泵變頻的能耗與節(jié)能率計算公式。

[1]靳衛(wèi)華,張建斌,吳磊,供水系統(tǒng)中泵節(jié)能技術(shù)研究[J].通用機械,2011,9: 96-100.

[2]渠時遠.我國水泵發(fā)展現(xiàn)狀和節(jié)能的技術(shù)途徑[J].通用機械,2011,6:14-21.

[3]邵國輝,賴喜德,孫見波.水泵節(jié)能的技術(shù)途徑[J].中國水利,2008,4:67-68.

[4]鄭少燕,水泵節(jié)能技術(shù)在水廠中的應用[J].給水排水,2003,29(9):66-68 [5]耿紀中,譚江.水泵節(jié)能技術(shù)及節(jié)能改造實例 [J].工業(yè)用水與廢水, 2013,44(2):42-44.

[6]曾樹人.變頻調(diào)速技術(shù)在水泵節(jié)能中的應用 [J].甘肅水利水電技術(shù), 2009,45(8):45-47.

[7]林燦銘,陳暖文.給水泵變頻改造應用實例[J].廣東電力,2010,23(3):76-79.

[8]王瑜瑜,劉少軍.基于變頻技術(shù)的水泵節(jié)能控制系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013,36(15):166-170.

[9]陳顯俊.淺析變頻水泵節(jié)能問題的分析探討[J].科技向?qū)?2014,14: 278.

[10]程斌,袁艷霞,郭海江.影響水泵變頻調(diào)速范圍及節(jié)能效果的因素[J].河南科技,2008，6:32-22.

[11]黃奕沄,張玲.壓差控制水泵變頻調(diào)節(jié)的工作特性探討[J].暖通空調(diào), 2006,36(4):75-78.

[12]王貴忠,趙蓮芝.水泵變頻技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)中的應用[J].內(nèi)蒙古石油化工,2007,11:70-73.

[13]Michel A.Bernier,Bernard Bourret.Pumping energy and variable frequencydrivers[J].ASHRAE Journal,1999,41（12）：37-40.

責任編輯：宋 飛

來稿時間：2015-8-20