淺談自來水泵站變頻節(jié)電改造效果

摘 要：節(jié)能降耗是建設資源節(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。隨著自動控制技術的快速發(fā)展，變頻調速技術在節(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。簡要介紹了變頻調速技術的節(jié)能原理，并對泵站水泵變頻節(jié)能改造后的效果進行探討和分析。

關鍵詞：泵站；水泵；變頻改造；效果分析

目前，我國中小城市供水系統(tǒng)的自動化配置相對落后，運行中只能依靠調節(jié)閥門出口開度的方式來調節(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)象十分嚴重。泵站是耗電大戶，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、降低運行成本至關重要。因此，對水泵機組采用變頻調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。

一、水泵變頻調速節(jié)能原理分析

（一）電機和水泵特性分析。根據(jù)交流電機工作原理的轉速特性可知：

n=60f（1-s）/p. （1）

式（1）中：n為電機轉速；f為電機的電源頻率；s為轉差率；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速，實現(xiàn)變頻無極調速。

又根據(jù)流體力學的基本定律可知：

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轉速時的流量、揚程和功率；Q2，H2，P2分別為水泵在n2轉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，當要求調節(jié)流量下降時，轉速n成比例地下降，而此時軸功率P成立方關系地下降，即水泵電機的軸功率與轉速近似是立方比的關系。如果通過調速方式改變水泵流量，當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，降低轉速可大大降低軸功率，這也是變頻調速在應用上節(jié)能效果十分顯著的原因。

（二）水泵運行特性分析。水泵節(jié)能離不開工況點的合理調節(jié)，調節(jié)方式有以下兩種：①管路特性曲線的調節(jié)，例如閥門節(jié)流；②水泵特性曲線調節(jié)，

例如水泵調速。用水泵調速來調節(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。通過上述變頻調速控制流量的方法，可以大大節(jié)約電能。

（三）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定值（恒壓）。當系統(tǒng)用水量增加時，變頻水泵出口壓力會低于設定值，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?shù)竭_所需恒定壓力值時，系統(tǒng)處于動態(tài)平衡。當管網(wǎng)中壓力增大時，變頻水泵出口壓力會高于設定值，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??；當?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整，以達到恒壓供水的目的。

二、變頻改造效果分析

（一） 改造實例。大連某泵站經(jīng)過30多年的運行，出現(xiàn)了設備陳舊、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。2013年對6座泵站中的6臺高壓水泵機組進行了變頻節(jié)電技術改造，水泵電機電壓等級均為10 kV，容量分別為280～500 kW，總容量2 275 kW。

（二）節(jié)能估算。根據(jù)GB 12497有關標準，對水泵電機經(jīng)濟運行設計的規(guī)定有如下計算公式。

采用閥門節(jié)流時，對應的電機輸入功率PL與流量Q的關系為：

PL=[0.45+0.55（Q/QN）2]Pe. （5）

采用變頻調速時，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為閥門調節(jié)時電機輸入功率；PN為變頻調速時泵的輸入功率；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=8640 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。

（三） 改造效果分析

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.電機實現(xiàn)軟啟動。使用變頻調速后，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，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。

3. 提高了系統(tǒng)運行的功率因數(shù)。使用變頻調速后，由于變頻器內部濾波電容的作用，電源側的功率因數(shù)由0.85左右提高到了0.95以上，減少了無功損耗，減少了線損和設備的發(fā)熱。

4.降低了設備運行與維護費用。采用變頻器后，電機轉速降低，減少了電機軸承和水泵葉片的磨損，延長了維護周期和設備運行壽命，降低了維護工作量和檢修費用。

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。

三、 結語

本次供水系統(tǒng)的變頻技術改造達到了節(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)代化水廠建設打下了基礎，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，水泵變頻調速技術是一項有效的節(jié)能降耗技術，不論是在節(jié)能效果、設備的投資回收、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：

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