水泵變速調節(jié)技術節(jié)能效果分析

劉 琦

(武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢 430072)

水泵是一種常見的流體機械，在采礦冶金、化工、電力、動力工程、城市給排水和農(nóng)田灌溉等眾多領域都得到了廣泛應用，并發(fā)揮著不可替代的作用。具有關資料報道，我國水泵和風機的裝機容量達1.5 億KW，其耗電總量占到了全國總發(fā)電量的20%以上。值得一提的是我國泵站水泵的耗能量占到全國發(fā)電量的1/10 左右，在“十一五”期間，國家投資97.72 億元和88.95 億元分別對大型排澇泵站和大型灌溉泵站進行了改造更新，每年能夠節(jié)省的電能約占大型泵站年總耗電量的25%左右。

由于水泵選型容量選得較大、系統(tǒng)匹配不合理以及普遍采用節(jié)流調節(jié)對水泵的運行工作點進行調節(jié)，我國水泵的實際使用效率普遍要比發(fā)達國家低10%－20%，造成嚴重的能源浪費。水泵在調節(jié)流量時運用變速調節(jié)方式能夠節(jié)省大量電能，這對我國節(jié)能減排有重要意義。

1 變速調節(jié)技術

由于在水泵選型時，需要根據(jù)運行過程中可能出現(xiàn)的最大負荷進行選型，然而在實際運行時，水泵不會總是保持在滿負荷運行。因此，水泵運行時，其運行工況并非一成不變，而是隨著外界負荷的變化需要進行相應調節(jié)。對水泵運行工況的調節(jié)主要有三種方式:(1)只改變水泵本身的性能曲線;(2)只改變管路系統(tǒng)的特性曲線;(3)兩種曲線同時改變。常用的調節(jié)方法有節(jié)流調節(jié)、入口導流器調節(jié)、切割調節(jié)、旁路調節(jié)等。本文主要介紹變速調節(jié)和節(jié)流調節(jié)，并將通過實例計算對這兩種調節(jié)方法進行比較。

上圖中，曲線2 為節(jié)流調節(jié)前的管路特性曲線，曲線1 為節(jié)流調節(jié)后的管路特性曲線，曲線3 為變速調節(jié)前水泵的性能曲線，曲線4 為變速調節(jié)后水泵的性能曲線。

節(jié)流調節(jié)是水泵調節(jié)的一種傳統(tǒng)方式，它通過增加管路中的附加節(jié)流損失而使水泵的運行工況發(fā)生改變，在圖中表現(xiàn)為從A 點變?yōu)锽 點，流量從Q1 變?yōu)镼2。這種調節(jié)方式簡單可靠、投資低，但是增加了系統(tǒng)中的阻力，能量損失大，由于節(jié)流后運行點會偏離高效區(qū)，在中大型水泵中，采用此方法是很不經(jīng)濟的。

變速調節(jié)是通過改變轉速來改變水泵的性能曲線，從而改變水泵的運行工況點。即圖中的A 點變?yōu)镃 點，流量同樣從Q1 變?yōu)镼2。與節(jié)流調節(jié)相比，變速調節(jié)沒有附加的節(jié)流損失，在圖中直觀地表現(xiàn)為減少了BC 段揚程。同時，變速調節(jié)時，水泵的效率能夠保持不變，因此具有很好的節(jié)能效果。

2 實例計算分析

火電廠中水泵是主要的耗能設備，其耗電量占到了廠用電的60%左右，如果能合理運行調節(jié)這些設備，提高設備的效率，這將節(jié)省大量能源并取得可觀的經(jīng)濟效益和良好的社會效益。

某火電廠給水泵的性能參數(shù)如下表(當轉速n=2980r/min 時)，管路系統(tǒng)特性曲線已在圖中畫出。由于每天各個時段用戶用電需求不同，電廠的負荷也隨之改變。如果現(xiàn)在要求給水泵提供的流量變?yōu)?00。首先根據(jù)表格的數(shù)據(jù)，在圖中畫出相應曲線，水泵性能曲線與管路特性曲線的交點即為改變流量前水泵的工作點，此時流量為300，揚程為1430m。將水的密度定為1000kg。

2.1 用節(jié)流調節(jié)改變流量

由于節(jié)流調節(jié)改變的是管路特性曲線，泵的性能曲線不會改變。當流量為200 時，從水泵特性曲線上讀出揚程為1590m，從圖表中可查出效率為0.63。

2.2 用變速調節(jié)改變流量

由于變速調節(jié)改變的是泵的性能曲線，而管路系統(tǒng)中不會增加阻力損失，故管路特性曲線不會改變。當流量為200時，從管路特性曲線上讀出揚程為1300m。

因此相似拋物線為:

在圖中繪出相似拋物線，與水泵性能曲線于一點，此點極為相似工況點，它們的效率相等，從圖中查出效率為0.66(相似拋物線上的工作點效率相等)。

2.3 對比分析

采用變速調節(jié)比節(jié)流調節(jié)方式節(jié)省的功率為:=301.7KW。

相對節(jié)電量為:=22%。

如果此給水泵每天工作20 小時，一年工作300 天，那么一年可節(jié)電1810200 度電;如果每度電按0.5 元計算，一年可以節(jié)省90.51 萬元?？梢姽?jié)能效果和經(jīng)濟效益都十分可觀。

3 變速調節(jié)的實現(xiàn)

改變轉速的方法主要有以下幾種:(1)通過改變機械裝置的傳動比來改變轉速。裝置需要配置相應的變速齒輪或則皮帶輪，這是一種有級變速調節(jié)。(2)對于300MW 以上機組的鍋爐給水泵，由于普遍采用汽輪機驅動，因此可以通過改變汽輪機的進氣量來調速，這種方法是一種無級變速調節(jié)。(3)采用液力耦合器進行調速。所謂液力耦合器，它是一種利用流體的動能來傳遞能量的機械，能夠實現(xiàn)無級調速，而且調速范圍較大，比節(jié)流調節(jié)節(jié)省能量。但是這種方法調速精度不高，設備初期投資較大。(4)變極調速。通過改變電機定子的極對數(shù)來改變異步電機的轉速，大中型異步電機一般采用雙速電動機進行變極調速。(5)變頻調速。變頻調速是基于電動機轉速與工作電源輸入頻率成正比的原理，采用變頻器改變電動機定子端輸入電源的頻率來改變電動機轉速的調節(jié)方法。變頻調速是最理想的調速方案，具有調速效率高，調速精度高的特點，而且可以在較大范圍內實現(xiàn)無級調速，并且可以實現(xiàn)軟起動從而可以減少對設備的機械沖擊和對電網(wǎng)的電流沖擊。隨著科技的進步和工業(yè)的發(fā)展，變頻設備的價格呈下降趨勢，由于其節(jié)能效果顯著，因而在中小型電機調速得到了應用。但是在國內還沒有成熟的高壓大容量變頻設備，這也限制了其應用和推廣。

4 總結

我國正處于經(jīng)濟高速發(fā)展的時期，由于我國人口眾多，人均資源大大低于世界平均水平，能源利用效率低和能源短缺已經(jīng)成為限制我國經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。由于泵類的耗電量占到全國總發(fā)電量的1/5，然而水泵在運行過程中普遍存在效率低、運行管理粗放的問題，很大部分水泵仍然采用落后的節(jié)流調節(jié)技術，造成巨大的能源浪費。在水泵領域推廣變速調節(jié)技術能夠顯著減少電能的浪費，這對我國經(jīng)濟的發(fā)展以及和諧社會的建立將起到積極的推動作用。

［1］何川，郭立君.泵與風機(第四版)［M］.北京:中國電力出版社.2008

［2］陳堅，李琪，等.中國泵站工程現(xiàn)狀及“十一五”期間泵站更新改造任務［J］.水利水電科技進展.2008，28(2)

［3］張文鋼，黃劉琦.水泵的節(jié)能技術［M］.上海:上海交通大學出版社.2010