自來水廠水泵變頻節(jié)電改造效果分析

李會祥+趙敏

摘 ?要：節(jié)能降耗是建設(shè)資源節(jié)約型社會的重要措施，也是企業(yè)降低生產(chǎn)成本最有效和最安全的一種方法。隨著電力電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的快速發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)在節(jié)能降耗、自動化生產(chǎn)等方面的優(yōu)勢得到充分體現(xiàn)，并得到了迅速的普及和應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。簡要介紹了變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)能原理，并對自來水廠水泵變頻節(jié)能改造后的效果進行探討和分析。

關(guān)鍵詞：自來水廠;水泵;變頻改造;效果分析

中圖分類號：TM921.51 ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.14.091

目前，我國中小城市供水系統(tǒng)的自動化配置相對落后，運行中只能依靠調(diào)節(jié)閥門出口開度的方式來調(diào)節(jié)流量，以滿足管網(wǎng)壓力恒定的要求。這不但操作麻煩，而且大量能量浪費在了閘門阻力上，致使水泵機組長期在低效區(qū)運行，電能浪費現(xiàn)象十分嚴(yán)重。自來水廠是耗電大戶，在制水成本中，電力費用所占比例較大，約占50%左右。水泵機組的耗電量占企業(yè)能源消耗的90%以上，而水泵是供水泵站中最主要的耗能設(shè)備，水泵機組的合理、高效運行模式對于提高企業(yè)能源管理水平、降低運行成本至關(guān)重要。因此，對水泵機組采用變頻調(diào)速代替落后的閥門節(jié)流方式，提高水泵機組的電能利用率，是供水企業(yè)節(jié)能降耗的重要手段。

1 ?水泵變頻調(diào)速節(jié)能原理分析

1.1 ?電機和水泵特性分析

根據(jù)交流電機工作原理的轉(zhuǎn)速特性可知：

n=60f（1-s）/p. ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式（1）中：n為電機轉(zhuǎn)速;f為電機的電源頻率;s為轉(zhuǎn)差率;p為電機的極對數(shù)。

由于電機的s和p為定值，所以由（1）式可知電機的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比例，通過改變電源頻率就可平滑改變電動機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)變頻無極調(diào)速。

又根據(jù)流體力學(xué)的基本定律可知：

Q1/Q2=n1/n2 . ? ? ? ? ? ? ? （2）

H1/H2=（n1/n2）2. ? ? ? ? ? ? （3）

P1/P2=（n1/n2）3. ? ? ? ? ? ? （4）

式（2）（3）（4）中：Q1，H1，P1分別為水泵在n1轉(zhuǎn)速時的流量、揚程和功率;Q2，H2，P2分別為水泵在n2轉(zhuǎn)速時相似工況條件下的流量、揚程和功率。

由公式（2）（3）（4）可以看出，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時，轉(zhuǎn)速n成比例地下降，而此時軸功率P成立方關(guān)系地下降，即水泵電機的軸功率與轉(zhuǎn)速近似是立方比的關(guān)系。如果通過調(diào)速方式改變水泵流量，當(dāng)水泵流量下降一半時，即n1/n2=1/2，則P1/P2=1/8，可節(jié)電87%. 可見，降低轉(zhuǎn)速可大大降低軸功率，這也是變頻調(diào)速在應(yīng)用上節(jié)能效果十分顯著的原因。

1.2 ?水泵運行特性分析

水泵節(jié)能離不開工況點的合理調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方式有以下兩種：①管路特性曲線的調(diào)節(jié)，例如閥門節(jié)流;②水泵特性曲線調(diào)節(jié)，

例如水泵調(diào)速。用水泵調(diào)速來調(diào)節(jié)水泵特性曲線的方法在節(jié)能方面效果好，是節(jié)能的主要方式。而變頻調(diào)速在改變水泵性能和自動控制方面優(yōu)勢明顯。

在流量相同的情況下，變頻調(diào)速控制避免了閥門節(jié)流控制下因壓頭升高和管阻增大所帶來的能量損失。在流量減小時，變頻調(diào)速控制使壓頭反而大幅度降低，所以它只需要一個比閥門控制消耗小的來充分利用功率損耗。通過上述變頻調(diào)速控制流量的方法，可以大大節(jié)約電能。

1.3 ?恒壓變頻供水系統(tǒng)的工作原理

恒壓變頻控制系統(tǒng)通過變頻器實現(xiàn)水壓閉環(huán)控制，其測量元件為壓力傳感器。裝在泵出口管路中的壓力傳感器會將壓力信號變化數(shù)據(jù)傳給變頻器。根據(jù)裝置揚程的要求，變頻器中存有一個出口壓力的設(shè)定值（恒壓）。當(dāng)系統(tǒng)用水量增加時，變頻水泵出口壓力會低于設(shè)定值，變頻器的頻率會逐步增加（一般變化范圍為30～50 Hz），同時控制電機速度提高，水泵軸功率增大，水泵的流量增大;當(dāng)?shù)竭_所需恒定壓力值時，系統(tǒng)處于動態(tài)平衡。當(dāng)管網(wǎng)中壓力增大時，變頻水泵出口壓力會高于設(shè)定值，變頻器的頻率會逐步減小，同時控制電機速度下降，水泵軸功率減小，水泵的流量減小;當(dāng)?shù)竭_所需恒定壓力值時，系統(tǒng)再次處于動態(tài)平衡。系統(tǒng)就根據(jù)壓力傳感器反饋信號不斷進行調(diào)整，以達到恒壓供水的目的。

2 ?變頻改造效果分析

2.1 ?改造實例

阜新自來水總公司的凌河水源廠和鬧得海水源廠于1980年和1983年投入運行，擔(dān)任著阜新地區(qū)80萬人口和工礦企業(yè)的供水任務(wù)，日設(shè)計供水能力為2.0×105 t，泵站均采用“一拖三”的運行方式。經(jīng)過30多年的運行，出現(xiàn)了設(shè)備陳舊、耗能高、運行方式落后、管網(wǎng)穩(wěn)定性差等問題，水泵機組為全天候運行，電能浪費嚴(yán)重，節(jié)電潛力較大。鑒于此，為了節(jié)約能源、降低成本，保證輸水管網(wǎng)的安全可靠運行。2012年對6座泵站中的6臺高壓水泵機組進行了變頻節(jié)電技術(shù)改造，水泵電機電壓等級均為10 kV，容量分別為280～500 kW，總?cè)萘? 275 kW。

2.2 ?節(jié)能估算

根據(jù)GB 12497有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對水泵電機經(jīng)濟運行設(shè)計的規(guī)定有如下計算公式。

采用閥門節(jié)流時，對應(yīng)的電機輸入功率PL與流量Q的關(guān)系為：

PL=[0.45+0.55（Q/QN）2]Pe. ? ? （5）

采用變頻調(diào)速時，水泵的節(jié)電率可按下式估算：

Ki=（PL- PN）/PL=1-{（Q/QN）3/[0.45+0.55（Q/QN）2]}.

（6）

式（5）（6）中：PL為閥門調(diào)節(jié)時電機輸入功率;PN為變頻調(diào)速時泵的輸入功率;Pe為水泵額定流量時電機輸入功率;Q為水泵實際流量;QN為額定流量。

由式（6）可知，只要知道實際流量與額定流量的比值，就可估算出節(jié)電率。

以1#號水泵機組電機（10 kV/500 kW）為例進行計算：閥門節(jié)流方式的調(diào)節(jié)范圍為（0.8～0.9）QN，根據(jù)實際運行工況，閥門平均開度取值為85%，即Q=0.85QN，年工作時間h=8 640 h。計算出節(jié)電率和年節(jié)電量，并根據(jù)投資費用計算出投資回收期。

PL=（0.45+0.55×0.852）×500=423.7 kW，則節(jié)電率Ki=ΔPi/PL=（423.7-500×0.853）/423.7=27.5%，年節(jié)電量=PL×Ki×h=423.7×27.5%×8 640=1 006 711 kW·h.

可見，1#水泵機組經(jīng)過變頻改造后年可節(jié)約電量為1 006 711 kW·h，變頻調(diào)速方式與閥門節(jié)流方式相比，節(jié)電率為27.5%.依以上公式計算經(jīng)過變頻改造后6臺水泵年可節(jié)約電量為4 580 500 kW·h，按電費電價0.65元計算，6臺水泵節(jié)約電費合計為297.7萬元。本次改造投資444萬元，直接投資回收期為18個月。

2.3 ?改造效果分析

2.3.1 ?節(jié)能效果顯著

從變頻改造前后各一年的用電統(tǒng)計結(jié)果看，改造后年實際節(jié)電量為4.4×106 kW·h，與理論計算值基本相符，每年為企業(yè)節(jié)約電費支出280萬元左右，實際節(jié)電效果非常理想。

2.3.2 ?電機實現(xiàn)軟啟動

使用變頻調(diào)速后，變頻器的軟啟動功能使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)、電機水泵和控制系統(tǒng)的啟動沖擊，延長了電機和閥門的使用壽命。在整個運行范圍內(nèi)，電機保持平穩(wěn)運行，無異常振動和噪聲，改善了工作環(huán)境。

2.3.3 ?提高了系統(tǒng)運行的功率因數(shù)

使用變頻調(diào)速后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，電源側(cè)的功率因數(shù)由0.85左右提高到了0.95以上，減少了無功損耗，減少了線損和設(shè)備的發(fā)熱。

2.3.4 ?降低了設(shè)備運行與維護費用

采用變頻器后，電機轉(zhuǎn)速降低，減少了電機軸承和水泵葉片的磨損，延長了維護周期和設(shè)備運行壽命，降低了維護工作量和檢修費用。

2.3.5 ?增強電機的保護功能

與改造前相比較，變頻器具有過流、過載、電壓、溫升等多項保護功能，能夠更好地保護電機。

3 ?結(jié)束語

本次供水系統(tǒng)的變頻技術(shù)改造達到了節(jié)能降耗和提高供水系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的，不但使企業(yè)提高了效益，而且為今后的現(xiàn)代化水廠建設(shè)打下了基礎(chǔ)，也為中小城市供水企業(yè)的節(jié)能改造作了有益的探索。實踐證明，水泵變頻調(diào)速技術(shù)是一項有效的節(jié)能降耗技術(shù)，不論是在節(jié)能效果、設(shè)備的投資回收、運行的經(jīng)濟性方面，還是在供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面，都具有較大的優(yōu)勢。

參考文獻

[1]毛正孝，趙友君.泵與風(fēng)機[M].北京：中國電力出版社，1999.

[2]韓安榮.通用變頻器及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

〔編輯：王霞〕

Analysis on the Effect of Frequency Conversion and Power Saving of Water Pump in Waterworks

Li Huixiang， Zhao Min

Abstract： Energy saving and consumption reduction is an important measure to construct the resource saving society， and it is also the most effective and safe method for enterprise to reduce production cost. Along with the rapid development of power electronic technology and automatic control technology， frequency conversion speed regulation technology in saving energy and reducing consumption， automated production advantages are fully reflected， and the rapid popularization and application， resulting in huge economic benefit and social benefit. This paper briefly introduces energy saving principle of variable frequency speed regulation technology， and discusses the effect of energy saving and energy saving of water pump frequency conversion.

Key words： waterworks; water pump; frequency conversion; effect analysis

文章編號：2095-6835（2015）14-0093-01