變頻調(diào)速在排污泵站的應(yīng)用及個案分析

摘要：污水管網(wǎng)中水量不均及雜質(zhì)較多，導(dǎo)致水泵實(shí)際運(yùn)行狀況與理想運(yùn)轉(zhuǎn)特性有出入。為解決上述問題，實(shí)現(xiàn)泵站無人值守自動控制要求，同時達(dá)到提高效率、節(jié)能降耗、減少維修量、降低人工及勞動強(qiáng)度等目的，文章就變頻調(diào)速技術(shù)的原理、性能以及在排污泵站（濟(jì)南市八里橋泵站）中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；排污泵站；排污泵；變頻器

中圖分類號：TM921 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）17-0032-02

1 變頻器及其調(diào)速原理

變頻器是對交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的裝置，生產(chǎn)中較多采用交直交變頻器，這類變頻器是先把電網(wǎng)的工頻交流電通過整流器變成直流電，經(jīng)過中間濾波環(huán)節(jié)后，再把直流電逆變成頻率及電壓均可調(diào)控的交流電。

在對異步電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速時，總希望保持氣隙磁通Φm為額定值不變，因?yàn)槿舸磐ㄌ?，電機(jī)鐵心未被充分利用；若磁通太大，可能使磁路飽和，造成激勵電流過大，鐵損急劇增加，嚴(yán)重時損壞電機(jī)。根據(jù)三相異步電動機(jī)基本原理可知，氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢有效值為：E=4.44fNΦm，只要控制E、f就可控制磁通Φm。

異步電動機(jī)調(diào)速控制特性說明：電機(jī)是按50Hz設(shè)計(jì)制造的，其額定轉(zhuǎn)矩也是在這個電壓范圍內(nèi)給出，因此額定頻率以下的調(diào)速為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速（T=Te，P≤Pe）。變頻器輸出頻率大于50Hz時，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要以與頻率成反比的線性關(guān)系下降，此時電機(jī)負(fù)載的大小必須要給予充分考慮，以防止電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不足。因此在額定頻率以上的調(diào)速為恒功率調(diào)速。（P=Ue×Ie）

2 目前排污泵站中水泵使用存在的問題

（1）在排污泵站中安裝了格柵除污機(jī)、集水池、水泵、出口蝶閥等設(shè)備設(shè)施，日常生產(chǎn)中需根據(jù)污水處理廠計(jì)劃處理的排污量及實(shí)際負(fù)載可排量，利用水泵來調(diào)節(jié)即時排污量。在未設(shè)置變頻控制系統(tǒng)的泵站中，傳統(tǒng)方法采用出口閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)。閥門雖是電動操作，但頻繁操作易發(fā)生故障，當(dāng)閥門突然關(guān)閉，水流對閥門及管壁會產(chǎn)生壓力，由于管壁光滑，后續(xù)水流在慣性的作用下，迅速達(dá)到最大，并產(chǎn)生破壞作用，這就是水錘效應(yīng)，它不僅產(chǎn)生噪聲，更嚴(yán)重的是導(dǎo)致物理性破壞，在壓強(qiáng)過低時會引起管子癟塌，在壓強(qiáng)過高的瞬間可能造成管子破裂，另外，水錘效應(yīng)還可能損壞水泵葉輪及緊固法蘭等，不利于設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）一般來說，水泵配備的電動機(jī)總裝機(jī)容量大，而水泵在實(shí)際工作中由于不可預(yù)測的因素影響，偏離最優(yōu)工況區(qū)，造成效率下降，加之其他傳動損失、機(jī)械損失等，不可避免地出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象，使水泵經(jīng)常低效率運(yùn)行。

3 水泵的變頻調(diào)速控制

（1）利用變頻裝置對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，以水泵的Q（流量）-H（揚(yáng)程）特性曲線來說明，如圖1所示：

圖1 水泵特性曲線

圖1中，線1表示轉(zhuǎn)速n0時的Q-H特性；線2表示管網(wǎng)水阻特性（蝶閥全開）；線3表示管網(wǎng)水阻特性（調(diào)蝶閥開度）；線4表示n1轉(zhuǎn)速時的Q-H特性。

當(dāng)水泵工況點(diǎn)為M時轉(zhuǎn)速為n0，假定此時Q0為90%，此時軸功率與圖1中MHMOQ0的面積成正比；當(dāng)流量Q0根據(jù)液位需下降到45%時，采用蝶閥減少流量（保持轉(zhuǎn)速不變）則工況點(diǎn)為N，此時軸功率與圖1中NHNOQ1的面積成正比，此時流量減少，但揚(yáng)程增高，從兩個面積來看相差不大，即流量減少一半，軸功率并未減少太多。如果調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使流量降到Q1滿足揚(yáng)程HP，此時工況點(diǎn)為P，對應(yīng)軸功率面積為PHPOQ1，從圖1中可以看出M的功率面積是P的4倍，也就是說流量Q0降到Q1，如用調(diào)節(jié)蝶閥的方法，軸功率減少不多，如用變頻調(diào)速的方法，軸功率減少了3/4。

根據(jù)水泵有效總功率可得：N=ρgQH=QH/102kW

水泵的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成正比，其流量Q、揚(yáng)程H及軸功率N與轉(zhuǎn)速n遵循比例定律：流量與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系；揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的二次方成正比關(guān)系；軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比關(guān)系。

分析看出，用調(diào)速調(diào)節(jié)流量節(jié)電效果最明顯。計(jì)算表明n降到90%，Q降到90%，N降到73%；n降到45%，Q降到45%，N降到9%。

（2）變頻調(diào)速排水系統(tǒng)。

圖2是排水系統(tǒng)圖，考慮到泵站的生產(chǎn)工藝及水泵特性，系統(tǒng)中采用的變頻調(diào)速技術(shù)宜在開環(huán)方式下控制。

圖2 排水系統(tǒng)圖

4 以濟(jì)南市八里橋泵站為例研究節(jié)能效果

圖2為較完善的排水系統(tǒng)圖，實(shí)際中根據(jù)生產(chǎn)工藝、周圍環(huán)境及控制水平等略有差異，下面以濟(jì)南市八里橋泵站為例說明：泵站配置110kW立式污水泵4臺，均采用自耦降壓啟動，由于日均排污量大，特別在汛期，需來回調(diào)節(jié)閥門以控制流量，像110kW大功率設(shè)備在啟閉時，電力上對電網(wǎng)、設(shè)備上對閥門的沖擊較大，易導(dǎo)致設(shè)備設(shè)施損壞，自2011年6月更換1臺110kW立式污水泵及配套變頻控制柜，產(chǎn)品型號為WLA2200-11-110。

在相同外部情況下采集數(shù)據(jù)做階段性節(jié)能分析，主要分析泵在普通運(yùn)行和在變頻控制下的耗電情況，如表1和表2所示。

分析結(jié)果：在使用普通泵與變頻控制泵各連續(xù)16日之后，計(jì)算兩者差額為5334kWh，按每度電0.8元計(jì)算，16天內(nèi)節(jié)電4267.2元，一個月可節(jié)電8534.4元，一年可節(jié)電102412.8元，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

5 結(jié)語

由此可見，水泵采用變頻調(diào)速控制后，節(jié)電效果明顯，變頻起動和平穩(wěn)調(diào)速，減少了對電網(wǎng)電壓的沖擊，不調(diào)節(jié)閥門也可消除節(jié)流產(chǎn)生的噪音與破壞，而且轉(zhuǎn)速下降且變化幅度不大，使水泵的運(yùn)行狀況顯著改善，降低了維修費(fèi)用，延長了使用壽命，另外，控制時加減速可根據(jù)即時排污量（超聲波液位計(jì)傳導(dǎo)信號）進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高了靈活性與可靠性，保證泵站安全穩(wěn)定高效運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：張娟（1984—），女，山東肥城人，濟(jì)南市排水總公司助理工程師，研究方向：電氣工程及自動化。