淺談自來水泵站變頻節電改造效果

摘 要：節能降耗是建設資源節約型社會的重要措施，也是企業降低生產成本最有效和最安全的一種方法。隨著自動控制技術的快速發展，變頻調速技術在節能降耗、自動化生產等方面的優勢得到充分體現，并得到了迅速的普及和應用，產生了巨大的經濟效益和社會效益。簡要介紹了變頻調速技術的節能原理，并對泵站水泵變頻節能改造后的效果進行探討和分析。

關鍵詞：泵站；水泵；變頻改造；效果分析

目前，我國中小城市供水系統的自動化配置相對落后，運行中只能依靠調節閥門出口開度的方式來調節流量，以滿足管網壓力恒定的要求。這不但操作麻煩，而且大量能量浪費在了閘門阻力上，致使水泵機組長期在低效區運行，電能浪費現象十分嚴重。泵站是耗電大戶，在制水成本中，電力費用所占比例較大，約占50%左右。水泵機組的耗電量占企業能源消耗的90%以上，而水泵是供水泵站中最主要的耗能設備，水泵機組的合理、高效運行模式對于提高企業能源管理水平、降低運行成本至關重要。因此，對水泵機組采用變頻調速代替落后的閥門節流方式，提高水泵機組的電能利用率，是供水企業節能降耗的重要手段。

一、水泵變頻調速節能原理分析

（一）電機和水泵特性分析。根據交流電機工作原理的轉速特性可知：

n=60f（1-s）/p. （1）

式（1）中：n為電機轉速；f為電機的電源頻率；s為轉差率；p為電機的極對數。

由于電機的s和p為定值，所以由（1）式可知電機的轉速與電源頻率成正比例，通過改變電源頻率就可平滑改變電動機的轉速，實現變頻無極調速。

又根據流體力學的基本定律可知：

Q1/Q2=n1/n2 . （2）

H1/H2=（n1/n2）2. （3）

P1/P2=（n1/n2）3. （4）

式（2）（3）（4）中：Q1，H1，P1分別為水泵在n1轉速時的流量、揚程和功率；Q2，H2，P2分別為水泵在n2轉速時相似工況條件下的流量、揚程和功率。

由公式（2）（3）（4）可以看出，當要求調節流量下降時，轉速n成比例地下降，而此時軸功率P成立方關系地下降，即水泵電機的軸功率與轉速近似是立方比的關系。如果通過調速方式改變水泵流量，當水泵流量下降一半時，即n1/n2=1/2，則P1/P2=1/8，可節電87%. 可見，降低轉速可大大降低軸功率，這也是變頻調速在應用上節能效果十分顯著的原因。

（二）水泵運行特性分析。水泵節能離不開工況點的合理調節，調節方式有以下兩種：①管路特性曲線的調節，例如閥門節流；②水泵特性曲線調節，

例如水泵調速。用水泵調速來調節水泵特性曲線的方法在節能方面效果好，是節能的主要方式。而變頻調速在改變水泵性能和自動控制方面優勢明顯。

在流量相同的情況下，變頻調速控制避免了閥門節流控制下因壓頭升高和管阻增大所帶來的能量損失。在流量減小時，變頻調速控制使壓頭反而大幅度降低，所以它只需要一個比閥門控制消耗小的來充分利用功率損耗。通過上述變頻調速控制流量的方法，可以大大節約電能。

（三）恒壓變頻供水系統的工作原理。恒壓變頻控制系統通過變頻器實現水壓閉環控制，其測量元件為壓力傳感器。裝在泵出口管路中的壓力傳感器會將壓力信號變化數據傳給變頻器。根據裝置揚程的要求，變頻器中存有一個出口壓力的設定值（恒壓）。當系統用水量增加時，變頻水泵出口壓力會低于設定值，變頻器的頻率會逐步增加（一般變化范圍為30～50 Hz），同時控制電機速度提高，水泵軸功率增大，水泵的流量增大；當到達所需恒定壓力值時，系統處于動態平衡。當管網中壓力增大時，變頻水泵出口壓力會高于設定值，變頻器的頻率會逐步減小，同時控制電機速度下降，水泵軸功率減小，水泵的流量減小；當到達所需恒定壓力值時，系統再次處于動態平衡。系統就根據壓力傳感器反饋信號不斷進行調整，以達到恒壓供水的目的。

二、變頻改造效果分析

（一） 改造實例。大連某泵站經過30多年的運行，出現了設備陳舊、耗能高、運行方式落后、管網穩定性差等問題，水泵機組為全天候運行，電能浪費嚴重，節電潛力較大。鑒于此，為了節約能源、降低成本，保證輸水管網的安全可靠運行。2013年對6座泵站中的6臺高壓水泵機組進行了變頻節電技術改造，水泵電機電壓等級均為10 kV，容量分別為280～500 kW，總容量2 275 kW。

（二）節能估算。根據GB 12497有關標準，對水泵電機經濟運行設計的規定有如下計算公式。

采用閥門節流時，對應的電機輸入功率PL與流量Q的關系為：

PL=[0.45+0.55（Q/QN）2]Pe. （5）

采用變頻調速時，水泵的節電率可按下式估算：

Ki=（PL- PN）/PL=1-{（Q/QN）3/[0.45+0.55（Q/QN）2]}. （6）

式（5）（6）中：PL為閥門調節時電機輸入功率；PN為變頻調速時泵的輸入功率；Pe為水泵額定流量時電機輸入功率；Q為水泵實際流量；QN為額定流量。

由式（6）可知，只要知道實際流量與額定流量的比值，就可估算出節電率。

以1#號水泵機組電機（10 kV/500 kW）為例進行計算：閥門節流方式的調節范圍為（0.8～0.9）QN，根據實際運行工況，閥門平均開度取值為85%，即Q=0.85QN，年工作時間h=8640 h。計算出節電率和年節電量，并根據投資費用計算出投資回收期。

PL=（0.45+0.55×0.852）×500=423.7 kW，則節電率Ki=ΔPi/PL=（423.7-500×0.853）/423.7=27.5%，年節電量=PL×Ki×h=423.7×27.5%×8 640=1 006 711 kW·h.

可見，1#水泵機組經過變頻改造后年可節約電量為1 006 711 kW·h，變頻調速方式與閥門節流方式相比，節電率為27.5%.依以上公式計算經過變頻改造后6臺水泵年可節約電量為4 580 500 kW·h，按電費電價0.65元計算，6臺水泵節約電費合計為297.7萬元。本次改造投資444萬元，直接投資回收期為18個月。

（三） 改造效果分析

1. 節能效果顯著。從變頻改造前后各一年的用電統計結果看，改造后年實際節電量為4.4×106 kW·h，與理論計算值基本相符，每年為企業節約電費支出280萬元左右，實際節電效果非常理想。

2.電機實現軟啟動。使用變頻調速后，變頻器的軟啟動功能使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網、電機水泵和控制系統的啟動沖擊，延長了電機和閥門的使用壽命。在整個運行范圍內，電機保持平穩運行，無異常振動和噪聲，改善了工作環境。

3. 提高了系統運行的功率因數。使用變頻調速后，由于變頻器內部濾波電容的作用，電源側的功率因數由0.85左右提高到了0.95以上，減少了無功損耗，減少了線損和設備的發熱。

4.降低了設備運行與維護費用。采用變頻器后，電機轉速降低，減少了電機軸承和水泵葉片的磨損，延長了維護周期和設備運行壽命，降低了維護工作量和檢修費用。

5. 增強電機的保護功能。與改造前相比較，變頻器具有過流、過載、電壓、溫升等多項保護功能，能夠更好地保護電機。

三、 結語

本次供水系統的變頻技術改造達到了節能降耗和提高供水系統穩定性的目的，不但使企業提高了效益，而且為今后的現代化水廠建設打下了基礎，也為中小城市供水企業的節能改造作了有益的探索。實踐證明，水泵變頻調速技術是一項有效的節能降耗技術，不論是在節能效果、設備的投資回收、運行的經濟性方面，還是在供水系統的穩定性、可靠性、自動化程度等方面，都具有較大的優勢。

參考文獻：

[1]毛正孝，趙友君.泵與風機[M].北京：中國電力出版社，1999.

[2]韓安榮.通用變頻器及應用[M].北京：機械工業出版社，2000.