淺談永磁電機驅動高效潛污泵的應用實踐及認識

楊宇陽

(山東新匯建設集團有限公司，山東 東營 257091）

國家大力提倡節能產品和雙碳經濟，水泵電機在國民經濟中應用最廣泛，同時又是耗電最大的通用機械，具有巨大的節能空間。能源消耗日益嚴重，能源問題已成為必須面對和解決的問題，節能降耗迫在眉睫。流體在輸送過程中，泵站的動力幾乎全部用于克服流體表面摩擦阻力，泵在給排水工程中耗電量巨大，對自來水制水成本、污水處理成本等有較大的影響，一般城鎮自來水廠泵站消耗電費約占制水成本的40%~70%，泵在城市污水處理中也是耗能較大的設備，因此，泵的節能降耗問題已成為泵行業亟待解決的關鍵問題之一。

1 技術背景及目標

隨著城市化進程的加快，城鎮污水處理廠不斷增加，截止到2020年底，全國共有污水處理廠3000座左右，潛污泵耗能電費在城市污水處理廠中占有較大比重，目前在用的潛污泵，驅動電機采用傳統異步電機，體積及重量較大，效率及功率因數較低，耗能高，水力部件沒有進行優化設計，造成潛污泵運行效率偏低，尤其是不適合變工況運行使用，導致運行效率更低。

2021年10月29日工業和信息化部和市場監督管理總局聯合發布的關于印發《電機能效提升計劃（2021-2023年）》的通知（工信部聯節〔2021〕45號）中要求：加快提升綠色設計能力。積極推進電機系統全生命周期綠色設計，鼓勵通過電機性能優化、鐵芯高效化、機殼輕量化等系統化創新設計，綜合提升電機產品能源資源利用效率。優化風機、水泵葉輪尺寸和線型，大力發展與高效節能電機合理匹配的新一代風機、水泵產品。細分負載特性及不同工況，針對風機、水泵、壓縮機、機床等通用設備，鼓勵采用2級能效及以上的電動機，針對變負荷運行工況，推廣2級能效及以上的變頻調速永磁電機。推動風機、泵、壓縮機等電機系統節能技術研發，加快應用離心式風機、水泵等二次方轉矩特性類負載與高效節能電機匹配技術、低速大轉矩直驅技術、高速直驅技術、伺服驅動技術等，提高電機系統效率和質量。進一步優化電機控制算法與控制性能，加快突破永磁電機效率最優控制和無位置傳感器磁阻電機參數精確辯識等技術。

提升潛污泵的運行效率非常必要，必須改進潛污泵的驅動電機性能效率，大幅提升、優化水力部件性能，必須研制高效永磁電機驅動潛污排水泵，符合高效節能的總體要求，能夠達到2級能效標準以上，新研制應用的永磁驅動高效潛污泵可以滿足以上要求。

2 永磁電機驅動高效潛污泵的技術特點

2.1 主要部件構

永磁電機驅動高效潛污泵，是一種由高效永磁潛液電機與優質水力部件優化組合的新一代高效輸送設備，采用智能變頻控制系統驅動控制，是目前唯一能達到水泵一級能效標準的泵類設備。

圖1 高效潛污排水泵總成圖

圖2 永磁驅動電機與異步電機效率對比圖

2.2 永磁驅動電機性能技術特點

永磁電機采用永磁體生成電機的磁場，無需勵磁線圈也無需勵磁電流。永磁驅動電機轉子采用無勵磁電流設計，同步運行，溫升更小；通過定、轉子的磁場設計改變及變頻器穩定的正弦波矢量控制，電磁噪音低，過載能力強、高效區間寬，永磁同步電機配套智能變頻控制，在25%~120%額定負載范圍內，保持高效率平穩運行；永磁驅動電機重量輕、體積小、運行穩定、可靠性高，同等性能條件下較三相異步電機體積及重量減少20%~30%,額定效率可達最新國標的1級能效等級標準，較三相異步電機提高3%~10%；功率因數0.95以上，用電量較傳統異步電機節省10%~30%，節能效果明顯。

2.3 水力部件性能技術特點

對于污水泵，由于被輸送的介質中常含有易產生纏繞或聚束的纖維物，使污水泵的流道容易堵塞，一旦堵塞嚴重，導致泵不能正常工作，甚至燒壞電動機。新型高效潛污排水泵的泵體部件采用獨特的單片或雙流道葉輪結構，提高了介質中污雜物通過能力，通過能力強，能有效通過泵口徑的5倍纖維物質或直徑為泵口徑約50%的固體顆粒。葉輪材質采用2Cr13不銹鋼材質，具有較好的耐磨性能，性能穩定。水泵與電機之間采取雙端面機械密封，采用新型硬質耐腐的碳化鎢材料，具備耐振性、壽命長、功率損失小的機械密封，保證其連續使用壽命，每個固定止口密封處采用“O”型耐油橡膠密封圈靜密封。

圖3 泵體外形圖

圖4 潛污泵工作及停止液位控制示意圖

2.4 控制系統技術特點

2.4.1 控制系統性能技術特點

泵組設置有高精度漏水檢測傳感器、熱敏感應元件，將內部漏水、過溫信號反饋于控制系統，通過監控泵組工作數據分析判斷并實現報警、停機、斷電等指令，實現運行中出現異常情況的保護，使泵組更安全可靠運行,控制系統具備以下功能。

（1）具備遠程和本地控制能力。

（2）故障報警和主動停機。

（3）遠程視頻監控功能。

（4）信息管理平臺對接，實現數據實時傳輸。

2.4.2 泵組啟停控制方式

通過浮球開關方式，根據浮球高低位置產生液位信號，液位信號主動觸發控制系統，控制泵組的啟停，實現自動運行。

（1）通過接入高低水位浮球開關，利用其浮起狀態閉合觸點信號來控制水泵啟停。

（2）浮球開關安裝在安裝導桿上，高、低水位由客戶指定。

（3）當液位高于高水位開關時，觸發水泵工作，直至液位低于低水位開關時才停機。

（4）當液位低于低水位開關時，觸發水泵停機，直至液位高于高水位開關時才能開機。

3 新型高效潛污泵應用分析

3.1 應用案例

新型高效潛污排水泵已在長沙某污水處理廠、株洲某污水處理廠、阿聯酋某海水淡化等項目中成功使用，實際運行效果較好。泵組設置有高精度漏水檢測傳感器、熱敏感應元件，將內部漏水、過溫信號反饋于控制系統，通過監控泵組工作數據分析判斷并實現報警、停機、斷電等指令，實現運行中出現異常情況的保護，使泵組運行更安全可靠，實現智能控制、全程監控。

圖5 長沙某污水處理廠擴容(四期)項目現場使用圖

圖6 株洲某污水處理廠現場使用圖

3.2 應用效果分析

對比同等條件下的：流量：3500m3/h，揚程：16.5M，配套電機380VAC/220KW/50Hz的高效潛污排水泵與國外某品牌潛污泵綜合性能參數，如表1所示。

表1 高效潛污泵與國外常規同型號排水泵性能參數對比表

從上述性能參數對比可以得出：同等流量和揚程工況下，高效潛污泵效率要高約3%；功率因數要高15%，永磁同步電機效率要高約3%，額定工作電流要小20%，泵組計算綜合節能率達25%以上，且采用智能變頻啟動控制電流小于額定電流，無大電流沖擊，保證了泵組的可靠運行，減少對電氣設備及電網損害。

在同等流量和揚程規格下，與常規潛污泵所配套的電機輸入功率對比，新一代永磁潛污泵根據水泵優化設計及高效率永磁同步電機驅動，選用的配套功率要比傳統異步電機降低1~2個等級規格，輸入功率節省15%~30%，較常規潛污泵更節能。

2020年12月，住房和城鄉建設部科技與產業化發展中心主持召開了“永磁電機驅動高效潛污泵”系列產品建設行業科技成果評估會。評估委員會專家一致認為：永磁潛污泵達到了國際先進水平，具有良好的推廣應用價值。

4 進一步改進提升措施

4.1 配套變頻器的提升措施

永磁電機過載能力強，為確保潛污排水泵的穩定運行及控制系統的可靠穩定，匹配的變頻器功率盡可能比潛污排水泵驅動永磁電機大一個功率規格,選用過載能力強、抗沖擊能力強的產品。

4.2 保護功能的提升措施

在潛污排水泵實際應用中，如果出現電機電流過大，使電機溫度過高，將導致永磁體退磁，使電機性能降低，甚至無法使用，因此，在實際應用中，加強使用運行的管理維護，不能超負荷運行使用，加強保護系統的維護，確保過載過流保護功能的完好，若出現異常問題，及時停機報警。

4.3 機械密封性能的提升措施

由于污水，是弱堿、弱酸性液體，潛污排水泵長期浸泡在其中，具有一定的腐蝕性，對機械密封中的橡膠件應選用耐弱酸、耐弱堿的氟橡膠。由于污水中含有一定量的固體顆粒，應選用耐顆粒沖擊摩擦的碳化鎢摩擦副機械密封。

5 結語

隨著國家城市化率的不斷提高，城市污水的產生量會不斷增加，一方面要大力倡導節水減排；另一方面，要不斷加大污水處理效率，降低能耗。永磁電機驅動潛污泵是降低污水處理廠能耗的重要途徑，必將在城市化率不斷提高、節能減排、綠色發展總要求不斷加強的大趨勢下，發揮越來越大的作用。