供水泵站節能運行方式的研究

孔淑芹 路文梅 蘇永軍 劉風華 易寶龍

【摘要】文中以引大入港輸水工程的供水泵站變頻改造運行為例，闡述了泵站采用變頻調速控制運行的優點和效果，并對泵站在不同的運行方式下的實際數據進行分析，提出了該泵站的最佳運行方案，同時對泵站的設計運行提出了建議。

【關鍵詞】變頻調速；泵站；控制系統；節能

前言

對于大多數采用供水企業來說，傳統供水機泵存在日常運行、維護費用高，單位供水的能耗偏大的問題，尋求供水與能耗之間的最佳性價比，是供水企業一直探究的問題。變頻調速控制技術是一項集現代化先進電力電子技術和計算機技術及控制技術于一體的高效節能技術，近年來，國內許多泵站水廠采取了變頻調速的節能降耗措，收到了良好的節能效果。文中介紹了引大入港（引大浪淀的水到黃驊港）輸水工程的基本情況，闡述了采用變頻控制運行方式的優點和效果，并對供水泵站在不同的變頻控制運行方式下進行試驗，探究變頻控制運行的最佳方案，同時對泵站設計及運行提出建議。該項研究對其他泵站的設計運行具有一定的參考價值。

1、引大入港供水泵站的基本情況

引大入港輸水工程主要包括：供水泵站、油田站、黃驊站、港口泵站等。引大入港各泵站設計投運年限不同，機組的控制運行方式不同。其中供水泵站在2004年設計投運，有6臺臥式離心水泵電動機組，電機功率185kW，正常情況下，系統設計運行方式為運行4臺機組，2臺備用。

泵站在設計時裝機一般由最不利條件下、最大時流量和所需相應揚程決定，并考慮今后一定時期的發展。但是實際運行時會有多種工況，泵站供水對象用水量不均勻，泵站每天只有很短時間能達到最大流量，大多數時間都處在小流量下工作。水泵大多數時間在設計效率以下運行，導致電動機與水泵之間常是在低效區運行。流量變化影響管網水頭損失變化，在幾何揚程很小的情況下，送水泵站出口所需壓力隨流量變化更顯著。引大入港輸水工程的供水泵站在最初設計時沒有采用變頻調速控制，為適應流量的變化，泵站運行中采取人工調節出口閥門控制流量。該種控制方式，難以精確控制流量，系統效率低；當流量降低、閥位開度減小時，閥門前后壓差增加，阻力增大，能耗增加；閥門長期處于40%～70%開度運行，加速閥體自身磨損，導致閥門控制特性變差；閥門調節不當時還會增加管網水錘壓力，降低了工作安全特性；過高的管網壓力威脅設備的密封性能，造成管網、閥門泄漏；水泵及閥門系統的使用壽命變短，日常維護量大，維修成本較高。

2、供水泵站變頻調速運行的優點和效果

為解決傳統控制運行方式帶來的問題，對引大入港輸水工程的供水泵站進行了變頻控制改造，運行方式是4臺運行，2臺備用，采用6臺變頻器一對一控制方式。變頻調速技術其實質就是通過在相應的管網壓力傳感信號輸入的狀態下 ，通過自動調節變頻器的輸出頻率 ，達到改變泵站水泵電機轉速以及供水量的目的 ，進而在滿足對于水壓以及用水量要求的前提下 ，降低單位供水量的能耗。通過幾年的運行泵站變頻恒壓供水的技術優勢和效果較為顯著，主要表現在以下幾方面。

有效地節約泵站機組設備運行的能耗。根據泵與風機學的相似定律，水泵系統采用變頻調節時，直接通過改變水泵電機頻率改變電動機轉速，以滿足不同運行工況的需求，通過變頻調速控制，水泵的工作狀態是隨著用戶用水量以及用水壓力的變化自動的調節轉速 ，水泵也是一直處于變頻的工作狀態。 變頻系統運行時，泵站出口壓力維持不變。給定出口壓力為Hg時，當流量 Q 變動時，因轉速變化導致揚程流量特性H1～Q 上下移動，泵工作點在 H=Hg線上作水平移動。通過特性曲線可以清楚地看出水泵消耗軸功率的變化，即采用變頻調速保證壓力恒定與流量需求。此時電機消耗的能量隨電機轉速立方的關系下降，設備運轉期間的電能消耗也隨之降低，變頻調速節電效果非常顯著。因而相比傳統的恒速水泵而言，降低泵站運行時的耗電量。

根據水泵相似類關系式，P/P0=（ N/N0）3計算， 式中為 P0額定轉速 N0時的功率； P 為轉速 N 時的功率。 以一臺水泵使用的 185 k W 電機為例，假設機組24 h 連續運行， 并且每天運行在90%負荷（ 頻率按 40 Hz 計算， 閥門調節時功耗按98%計算）， 全年運行時間 300 天，則采用工頻運行閥門調節時每年的耗電量為：

W1=185×98%×24×300=1 305 360 kW·h

變頻調速運行時每年的耗電量為：

W2=185×（ 40/50）3×24×300=681 984 kW·h

變頻調速運行較傳統運行方式減少電能消耗：

W=W1- W2=1 305 360 -681 984=623 376 kW·h

每 1kWh 電按 0.5元計算， 則采用變頻調速每年可節電費311 688元。引大入港輸水工程所有泵站采用變頻控制方式后，每年節省了大量的電費。

2）泵站采取變頻調速控制提高了泵站的運行效率。通過變頻調速系統，在用水量或者是水壓發生變化的情況下，通過計算機對這些變化進行自動的檢測，并按照檢測信息調整泵站水泵機組的工作狀況，進而確保泵站水泵處于高效的運行狀態。

3）變頻調速控制系統減小了對供水設備的損壞，降低了維修費用。由于變頻調速屬于無級調速方式，能夠實現水泵的軟啟動，機泵的啟動電流及啟動能耗大幅降低，從而避免了起動時對電網的沖擊，并且能提高功率因數， 減小電源設備容量。泵站水泵啟停的自動化控制，無需值班人員進行人工的操作，不僅可以避免操作失誤問題的發生，而且由于變頻器的啟停較為平穩 ，避免對于管網造成沖擊及運行磨損，此外由于采取變頻調速控制管理，能夠避免水泵在切換時出現的震蕩現象，對于延長泵站機組設備使用壽命。采用變頻調速控制系統后降低了設備的運行維護費用。

4）簡化了操作，數據讀取更方便。通過對泵站進行變頻技術改造之后，對于泵站運行過程中的各種參數例如泵站電機的運行頻率、電流、電壓、變頻器輸入以及輸出端的電壓電流、泵站管網水壓、流量等一系列的參數，都可以通過數字化的顯示屏直觀的了解，方便了對于泵站供水系統運行的觀察和控制。

3、不同運行方式下運行數據及分析

引大入港輸水工程的供水泵站，設計裝機6臺，運行方式是4臺運行，2臺備用，采用6臺變頻器，一對一控制方式。為了能充分發揮變頻裝置的作用又能最大程度的降低能耗，結合泵站的實際情況進行了不同運行方式的試驗，目的是找出該泵站節能運行的最佳的運行方式。

不同運行方式下的試驗。為了對比不同運行方式下的試驗數據，在每天相同時段，供水流量、水壓基本不變的情況下進行試驗。運行方式包括：4臺泵變頻運行，2臺泵備用；5臺泵變頻運行，1臺泵備用；6臺泵變頻運行。試驗數據列于表1中。

從表1中可見，在管網壓力相同，流量基本相同的情況下3種運行方式中，采用6臺泵變頻運行時節能效果最明顯，運行費用最低。假設年均運行時間按300 天，電價 0.5 元/k Wh 計算，日平均日供水量 68400t，年可節約電費近17.9萬元，平均日供水量，采用相同的運行方式時，隨著用水量的增加耗電量在增加。從近兩年的運行情況看，該供水泵站在通常的供水流量下，6臺機組全部變頻運行的方式耗電量最低；6臺機組運行設備的維修概率反而比原設計4臺機組運行方式時要少。可見，該泵站采用6臺機組全部調頻運行節能效果最好。

4、對泵站設計及運行的建議

1）設計時合理選擇機泵設備，提高泵機組效率。可采用考慮泵站年運行時間揚程密度與包絡線法相結合的方法、等揚程加大流量法進行水泵機組選型，可以節省泵站運行費用。應及時更換淘汰設備，降低運行維護成本。

2）設計時要考慮變頻設備利用率最大化與遠期變頻應用。對單臺變頻器控制單臺電機、單臺變頻器控制多臺電機、變頻運行和工頻運行相結合等運行方案進行技術經濟比較，提出較優化的方案。從經濟角度考慮，變頻器拖的電機較多，

控制系統就會越復雜，成本也會較高一些。從國內目前成熟的變頻器上考慮，采用1拖2方式的低壓變頻器成本較低，技術也較成熟。

3）運行單位要根據泵站的實際情況，積極通過現場試驗確定在一定供水條件下的條件下的最佳運行方式，既能充分發揮變頻裝置的作用又能最大程度的降級能耗。

參考文獻：

[1]李瑞明，許建中，李娜.泵站節能技術的研究與推廣應用。中國農村水利水電。2011.

[2]馮曉莉，仇寶云.大型泵站系統運行優化模型與節能效果比較。農業工程學報。2012.12.

[3]盧玉明。變頻調速技術在供水泵站中的應用。山西水利科技。2007.

[4]支文慶。變頻調速在泵站控制系統中的應用技術研究。SILICON VALLEY。2014年第一期。