上海某大型污水泵站變頻泵節(jié)能運(yùn)行分析

雷會(huì)玉等

摘 要： 對(duì)上海某大型污水泵站的節(jié)能方案進(jìn)行了分析討論，簡(jiǎn)要介紹了通用污水泵站的概況以及原有的水泵變頻控制技術(shù).依據(jù)該泵站現(xiàn)有的運(yùn)行條件，分析了供水泵站和排水泵站水泵變頻運(yùn)行的必要性以及排水泵站變頻節(jié)能的基本原理.在原有控制基礎(chǔ)上提出了變頻泵的節(jié)能控制方案，對(duì)變頻調(diào)速的水泵采用最小軸功率法進(jìn)行最優(yōu)控制，以改善該泵站的能耗水平，使水泵機(jī)組在滿足安全運(yùn)行的條件下能盡量高效運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的.

關(guān)鍵詞： 通用機(jī)械； 變頻； 節(jié)能； 泵

中圖分類號(hào)： TU 991 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： The energysaving program for a sewage pumping station in Shanghai was discussed in this paper.The overview of common sewage pumping station and the existing pump variable frequency control technology were briefly introduced.According to the existing operating conditions of the pump station，the necessity of variable frequency operation for feed pumping stations and drainage pumping stations was analyzed，and the fundamental principles of the energysaving for variable frequency operation in drainage pumping stations were studied.The energysaving control program of variable frequency pump was then proposed according to the original control basis.The pump was also optimally controlled using the minimum shaft power method，which favored improving the energy consumption level for the pump station.This study could make the pump meet the standards of safe operation，as well as the high efficiency and the energysaving.

Key words： general machinery； variable frequency； energysaving； pump

隨著城市規(guī)模逐漸擴(kuò)大，人口不斷增加，水環(huán)境污染問題已成為一大難題.我國(guó)正處于城市污水處理事業(yè)的快速發(fā)展時(shí)期，但相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家而言，起步較晚，技術(shù)較為落后，污水配套管網(wǎng)建設(shè)相對(duì)滯后，設(shè)施建設(shè)不平衡.目前城市平均污水處理率為77.4%.“十二五”期間我國(guó)將進(jìn)一步提高污水處理率，計(jì)劃到2015年城市污水處理率達(dá)到85%[1]，但仍遠(yuǎn)低于同期發(fā)達(dá)國(guó)家水平.

泵是將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成流體的壓力能和動(dòng)能的一種動(dòng)力設(shè)備，其使用范圍十分廣泛，耗能也較大.2011年水泵用電量占全國(guó)電量的21%左右，其中離心泵用電量約占水泵用電量的70%[2].我國(guó)現(xiàn)階段水泵的能耗情況不容樂觀，水泵的能量浪費(fèi)現(xiàn)象十分嚴(yán)重.本文主要對(duì)上海某大型污水泵站進(jìn)行節(jié)能分析，并在原有控制基礎(chǔ)上提出了變頻泵的節(jié)能控制方案，有助于改善該泵站的能耗水平.

1 概 述

上海某大型污水泵站是上海污水處理南干線的主要泵站之一，主要用于提升城市污水的高度，使其流向下一級(jí)泵站，完成污水的輸送.該泵站共有6臺(tái)污水泵，其中5用1備.2臺(tái)變頻器可同時(shí)控制2臺(tái)水泵變頻.其中：1號(hào)和4號(hào)泵為定速泵，1臺(tái)變頻器控制2號(hào)或3號(hào)泵的變頻，另1臺(tái)控制5號(hào)或6號(hào)泵的變頻.污水泵為立式蝸殼混流泵，額定功率為1 600 kW， 額定流量為7.5 m3·s-1，額定揚(yáng)程為13.5 m.泵站每年耗電量高達(dá)數(shù)千萬kW·h.由于水泵設(shè)計(jì)容量都偏大，因此泵站的節(jié)能潛力相對(duì)較大[3].

泵站結(jié)構(gòu)工藝圖如圖1所示.污水泵設(shè)置于前池和高位井之間，其中前池又分為南前池和北前池，中間相通.每臺(tái)污水泵使用一條單獨(dú)的輸送通道將污水由前池輸送至高位井.泵站的設(shè)計(jì)污水流量為：雨季高峰流量為3128 m3·s-1，低峰流量為610 m3·s-1.

2 泵站基本控制

泵站設(shè)計(jì)時(shí)的控制模式主要考慮需滿足流量要求和安全運(yùn)行.泵站控制模式主要有：① 正常運(yùn)行方式：主要針對(duì)液位變化，開啟一定數(shù)量的水泵；② 最低操作費(fèi)用方式：旱季時(shí)，由于污水量較少，一般將水泵的啟動(dòng)液位提高200 mm，以降低水泵的輸送揚(yáng)程；③ 最大第一次進(jìn)流量方式：當(dāng)雨量較大時(shí)，利用變頻泵盡可能控制前池的水位，使其在1臺(tái)泵的停泵液位以上約200 mm；④ 小流量方式：污水較少時(shí)，啟動(dòng)變頻泵.

泵站對(duì)污水泵的控制主要根據(jù)上一級(jí)泵站的來水流量Qe和前、后級(jí)的泵站水位情況進(jìn)行綜合控制.泵站主要根據(jù)來水流量的變化，由前池的液位信號(hào)決定污水泵的啟動(dòng)數(shù)量和順序.原設(shè)計(jì)中污水泵啟動(dòng)數(shù)量與液位如表1所示.

3 泵站節(jié)能分析

泵站根據(jù)來水流量控制污水泵啟動(dòng)數(shù)量，而且優(yōu)先開啟變速泵，這一定程度上可降低水泵的能耗[4].但是設(shè)計(jì)時(shí)，沒有對(duì)泵站污水泵啟動(dòng)數(shù)量進(jìn)行最優(yōu)化計(jì)算，因此，不能僅根據(jù)來水流量變化進(jìn)行調(diào)整，以使每臺(tái)泵都能運(yùn)行在最佳效率區(qū)，從而使泵站的綜合能耗達(dá)到最低[3].

3.1 提高前池啟動(dòng)液位

研究[4]表明，提高前池啟動(dòng)液位可減少液位差，從而有助于減少附加的揚(yáng)程損失， 提高水泵的運(yùn)行效率.因此，本文擬將前池啟動(dòng)液位提高.改造后的污水泵啟動(dòng)數(shù)量與液位如表2所示.

3.2 泵運(yùn)行效率計(jì)算[5-6] 由泵站測(cè)得的電動(dòng)機(jī)輸出軸功率Pa、水泵流量Q和揚(yáng)程H可計(jì)算泵運(yùn)行效率η.

由泵站2012年12月30日的運(yùn)行數(shù)據(jù)可計(jì)算得到2號(hào)泵的運(yùn)行效率η，結(jié)果如表3所示.由表3可知，該泵站還有很大的節(jié)能空間.

由表3可看出，泵的額定效率與運(yùn)行效率之差約為12%～15%.考慮到實(shí)際過程中泵本身的運(yùn)行效率比額定效率低，且功率數(shù)據(jù)傳輸存在誤差，因此可估算出2號(hào)泵運(yùn)行時(shí)的節(jié)能潛力約為6%～8%.

4 泵站運(yùn)行變頻控制

4.1 對(duì)水泵采取有效的變頻控制技術(shù)

根據(jù)來水流量變化使每臺(tái)泵都能運(yùn)行在最佳效率區(qū)，并盡量使水泵機(jī)組總的軸功率∑Pa最小.運(yùn)行時(shí)，使變頻泵處于高效運(yùn)行區(qū)可達(dá)到節(jié)能的目的.同時(shí)，在有兩臺(tái)變頻泵開啟時(shí)，令變頻泵總的軸功率最小，這樣的控制模式節(jié)能效果更好[7].下面對(duì)水泵機(jī)組的軸功率進(jìn)行建模分析.

使用最小軸功率法控制，即以軸功率最小為目標(biāo)函數(shù)求取最優(yōu)解[8-9].

式中：m為泵站水泵最大運(yùn)行臺(tái)數(shù)；ωi取0 或1，分別表示i號(hào)泵是否為參與運(yùn)行的決策變量；Pi為i號(hào)泵的功率；He為管路所需揚(yáng)程；Hi為i號(hào)泵的揚(yáng)程；ΔH為前池與高位井的液位差；ΔHmin為前池與高位井最小液位差；ΔHmax為前池與高位井最大液位差；S為管路阻抗； A為前池液面表面積；h為前池液位；t為時(shí)間；dh/dt為前池液位變化率，可由前池超聲波液位計(jì)測(cè)得；Qi為i號(hào)泵的流量.

泵站只有兩臺(tái)變頻泵，因?yàn)槎ㄋ俦玫墓β屎愣?，所以最小軸功率法中泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)可只考慮兩臺(tái)變頻泵的情況，即m=2.由于泵的進(jìn)口流場(chǎng)不同，管路特性曲線共有3條，其中：1、4號(hào)泵的管路特性曲線近似為同一條曲線；2、5號(hào)泵的管路特性曲線近似為同一條曲線；3、6號(hào)泵的管路特性曲線近似為同一條曲線.下面使用最小軸功率法對(duì)兩臺(tái)變頻泵進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行分析.

4.2 單臺(tái)變頻泵運(yùn)行

來水流量Qe在6.1～35 m3·s-1間變化，液位上升到-1.5 m 時(shí)變頻泵啟動(dòng).為了降低啟動(dòng)電流，將泵轉(zhuǎn)速n調(diào)至滿轉(zhuǎn)速n0的60%，啟動(dòng)2號(hào)泵[7].單臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)Q-H圖如圖2所示.

此時(shí)，根據(jù)2號(hào)泵的管路特性曲線，由ΔH得到來水流量Qe與特性曲線的交點(diǎn)E（如圖2所示），得出E 點(diǎn)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速n2，然后再查對(duì)應(yīng)的效率η2.依此可判斷，當(dāng)2號(hào)泵的流量Q2=Qe時(shí)，其是否在高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行.若不在高效區(qū)則不宜將Q2 調(diào)節(jié)到Qe，而需要將2號(hào)泵的流量向高效區(qū)調(diào)節(jié)，但這必然導(dǎo)致Q2Qe.因此需要針對(duì)各種情況進(jìn)行相應(yīng)處理.

（1） 如果E點(diǎn)已處在高效區(qū)內(nèi)，則可將2號(hào)泵的轉(zhuǎn)速調(diào)至E點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速n2，并使2號(hào)泵達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行即可.

（2） 如果E點(diǎn)處在高效區(qū)外，則不宜將2號(hào)泵的流量Q2調(diào)節(jié)至Qe，而應(yīng)將2號(hào)泵的流量向高效區(qū)方向調(diào)節(jié)，使泵處于高效區(qū)運(yùn)行.

（3） 當(dāng)來水流量Qe很小時(shí)，2號(hào)泵運(yùn)行一段時(shí)間后，將逐步達(dá)到停泵液位，導(dǎo)致2號(hào)泵停泵.但是為了防止泵的頻繁啟停，可在液位達(dá)到停泵液位之前，將泵的轉(zhuǎn)速調(diào)至n2.例如，停泵液位為-3.2 m時(shí)，可設(shè)定當(dāng)液位達(dá)到-3.0 m 時(shí)，將泵的轉(zhuǎn)速調(diào)至Q2=Qe對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速.即便泵的運(yùn)行點(diǎn)處于非高效區(qū)，也要保證泵的正常安全運(yùn)行[8].

4.3 兩臺(tái)變頻泵運(yùn)行

當(dāng)將2號(hào)泵的流量調(diào)節(jié)到高效區(qū)后，其實(shí)際轉(zhuǎn)速n小于E 點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速n2，即2號(hào)泵的流量調(diào)節(jié)到高效區(qū)后實(shí)際流量Q2

此時(shí)，由ΔH 可得到5號(hào)泵Q-H曲線與5號(hào)泵的管路特性曲線的交點(diǎn)I，I即為此時(shí)該泵的穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，對(duì)應(yīng)流量為Q5.2號(hào)泵調(diào)速后的穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)為J點(diǎn)（J點(diǎn)已在高效區(qū)），J點(diǎn)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速n2，Qe與管路特性曲線相交于F點(diǎn)[8].

（1） 若可將兩臺(tái)變頻泵的流量分別調(diào)節(jié)至高效區(qū)，且符合Q2+Q5=Qe.則可通過計(jì)算Min F=∑mi=1ωipi，最終確定兩臺(tái)變頻泵的最佳流量點(diǎn).

若在高效區(qū)無法滿足Q2+Q5=Qe.則

（1） 當(dāng)兩臺(tái)泵在高效區(qū)運(yùn)行時(shí)，流量無論怎樣組合都有Q2+Q5>Qe，而單開一臺(tái)泵時(shí)的流量又小于來水流量Qe.

此時(shí)，如果按照最小軸功率法，將轉(zhuǎn)速都調(diào)至滿轉(zhuǎn)速的60%，會(huì)使前池液位下降，達(dá)到停泵液位.之后又由于一臺(tái)泵的流量滿足不了來水流量，使液位上升至第二臺(tái)泵的啟動(dòng)液位，很容易造成泵的頻繁啟停.這時(shí)可采取只啟動(dòng)一臺(tái)泵，使單臺(tái)泵的流量Q=Qe ；也可啟動(dòng)兩臺(tái)泵使∑Q=Qe ；或在單泵運(yùn)行和雙泵運(yùn)行模式間進(jìn)行切換[8].可采取最小軸功率法，計(jì)算出哪種模式功耗相對(duì)較小，并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速到各臺(tái)泵所需流量對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速[10].

（2） 若兩臺(tái)泵在高效區(qū)運(yùn)行時(shí)，流量無論怎樣組合仍有Q2+Q5

由上述分析可知，通過計(jì)算Min F=∑mi=1ωipi，可求出最小軸功率時(shí)變頻泵的流量，從而可將泵調(diào)至最佳轉(zhuǎn)速，使運(yùn)行過程處于最節(jié)能狀態(tài).

5 泵站節(jié)能運(yùn)行的其它方法

由于該節(jié)能方案是在現(xiàn)有條件下進(jìn)行的改進(jìn)，存在局限性，不能獲得較大的節(jié)能效果.因此，還可從其它方面考慮泵站的節(jié)能問題.

5.1 六臺(tái)泵全變頻控制技術(shù)

來水流量過大時(shí)，兩臺(tái)變頻泵的調(diào)節(jié)能力有限，因此可采用六臺(tái)變頻泵進(jìn)行綜合控制，以取得更好的節(jié)能效果.實(shí)際使用中在考慮成本合理的情況下，可考慮全變頻控制技術(shù)[11].

5.2 增加對(duì)高位井的控制

在污水泵站中，前池和高位井的液位都不是由泵站本身控制，而是由排水公司總控制中心統(tǒng)籌控制.控制時(shí)主要是考慮下一級(jí)泵站的排水能力，防止流量超出其排水能力.該泵站的下一級(jí)泵站是兩個(gè)泵站的匯合處，流量設(shè)計(jì)值是前兩個(gè)泵站的流量和.為了防止流量過大，超出其排水能力，前兩級(jí)泵站的高位井液位都由總控制中心控制.

6 結(jié) 論

本文主要對(duì)上海某大型污水泵站變頻泵進(jìn)行節(jié)能分析，并在原有控制基礎(chǔ)上提出了變頻泵的節(jié)能控制方案，以降低該泵站的能耗水平.本改造方案的主要思路是在滿足來水流量時(shí)，盡量使變頻泵在高效區(qū)運(yùn)行，對(duì)不能在高效區(qū)運(yùn)行且滿足流量要求的情況進(jìn)行了討論.

本文還對(duì)其它節(jié)能方案進(jìn)行了探討，提出了采用水泵全變頻控制以及增加對(duì)污水泵站高位井的液位控制等節(jié)能方法.采用變頻設(shè)計(jì)提高泵的運(yùn)行效率將更加節(jié)能，并符合節(jié)能環(huán)保的大趨勢(shì).

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