城市大型污水泵站中交流變頻調(diào)速技術(shù)的應用與經(jīng)濟效益分析

摘 要：城市污水泵站在日常運行中起到了至關(guān)重要的作用，和人們的日常生活息息相關(guān)。它是保證市民以及各行各業(yè)正常的生產(chǎn)生活的重要的城市基礎設施。正是這些泵站夜以繼日的工作，才為城市污水的順利排放，提供了可靠的保障。由于污水管網(wǎng)中的水量不均和各種雜志較多，導致泵站水泵機組運行的效率下降，為解決上述問題，同時達到提高效率、節(jié)能降耗、降低運行成本的目的，文章就變頻調(diào)速技術(shù)在東莊污水泵站中的實際應用進行研究。

關(guān)鍵詞：變頻技術(shù)；污水泵站；水泵

緒論

城市大型污水泵站的運行管理如何做到“安全、可靠、先進、經(jīng)濟”，是我們多年來一直研究的課題。經(jīng)過多年的研究和泵站運行管理的實踐，泵站運行管理總體上向著兩大方面發(fā)展，其一是采用計算機技術(shù)實現(xiàn)泵站自動化控制與管理，泵站自動化控制與管理在泵站的安全與可靠運行上發(fā)揮了重要作用。其二是在泵站機泵控制系統(tǒng)中采用高科技技術(shù)，實現(xiàn)經(jīng)濟節(jié)能運行，向管理要效益。

在東莊污水泵站使用交流變頻調(diào)速技術(shù)、電磁流量計以及與計算機控制系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)了泵站電動控制、流量測量及計算機控制一體化。其中交流變頻調(diào)速技術(shù)的應用在技術(shù)先進、安全可靠、降低能耗等方面均取得了較大成果，并取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。東莊污水泵站在運行管理方面實現(xiàn)了“安全、可靠、先進、經(jīng)濟”，為今后污水泵站運行管理提供了新的運行模式和經(jīng)驗。

1 東莊污水泵站介紹

東莊污水泵站位于北京市豐臺區(qū)北京南站南側(cè)，涼水河北岸.主要負責抽升南二環(huán)濱河路污水下游的污水，占地面積4600m2設計抽升能力為Q=3.0m3/s。

東莊污水泵站擔負著泵站上游大約1024公頃面積內(nèi)的污水抽升任務。由于泵站設計沒有溢流口，因此對泵站正常抽升運行要求較高，必須保證泵站在不同情況下的正常運行，保證泵站上游服務區(qū)不發(fā)生淹泡事故，保證服務區(qū)內(nèi)人民的正常生活和生產(chǎn)。

由于泵站運行要求較高，我們在系統(tǒng)設計上采用交流變頻調(diào)速技術(shù)對交流異步電動機進行調(diào)速運行，利用變頻調(diào)速器具有的優(yōu)良的速度控制和轉(zhuǎn)矩控制特性，使泵站機電設備運行在較佳的狀態(tài)下，從而保證了泵站安全可靠的運行。

2 交流變頻調(diào)速技術(shù)應用于東莊污水泵站水泵的調(diào)速運行

在工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸及日常生活中采用交流異步電動機與變頻器相結(jié)合的交流調(diào)速在國外已經(jīng)極為廣泛，在國內(nèi)也開始推廣。變頻調(diào)速是交流電動機調(diào)速的發(fā)展趨勢。用變頻器對交流異步電動機進行調(diào)速非常簡單，只要將變頻器接在電源饋線與交流異步電動機之間就構(gòu)成一套交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。

變頻器操作簡單，易于控制，而且又能實現(xiàn)軟啟動，不僅消除了因直接起動存在的對電動機及設備的機械沖擊，而且也消除了對電網(wǎng)的沖擊，還可以因此降低供電變壓器的容量，所以交流變頻調(diào)速器具有良好的使用價值。

2.1 電氣系統(tǒng)控制原理

泵站配電系統(tǒng)由兩路供電系統(tǒng)組成，兩路供電系統(tǒng)一備一用，雙路電源保證泵站抽升供電。

電氣系統(tǒng)圖中每三臺水泵由一臺交流變頻調(diào)速器控制運行，并通過變頻/工頻切換達到用一臺交流變頻調(diào)速器控制三臺水泵的目的。工作原理如下：

根據(jù)泵站集水池水位達到設定開泵液位位置時，交流變頻調(diào)速器控制回路中的交流接觸器閉合，由交流變頻調(diào)速器控制起動一臺水泵變頻運行。當泵站來水量增加，交流變頻調(diào)速器輸出頻率根據(jù)單回路調(diào)節(jié)器的輸出進行調(diào)節(jié)，提高水泵運轉(zhuǎn)速度，增大水泵抽升量。當泵站來水量增加使得這臺水泵運轉(zhuǎn)速度由交流變頻調(diào)速器控制達到工頻運轉(zhuǎn)速度時，交流變頻調(diào)速器的控制器將水泵切換到工頻運行狀態(tài)，交流變頻調(diào)速器控制回路中的交流接觸器斷開，工頻回路中的交流接觸器閉合。當泵站來水量繼續(xù)增加，集水池水位繼續(xù)上升到開第二臺水泵液位時，交流變頻調(diào)速器控制起動第二臺水泵變頻運行，以此類推。

當泵站來水量降低，不能滿足兩臺水泵運行時，交流變頻調(diào)速器的控制器首先將工頻運轉(zhuǎn)的水泵交流接觸器斷開，工頻運轉(zhuǎn)的水泵停泵。另一臺變頻運行的水泵繼續(xù)運行。以此類推進行水泵調(diào)節(jié)運行，滿足泵站抽升運行。

按照一般的設計，每臺水泵由一臺交流變頻調(diào)速器控制進行調(diào)速運行，系統(tǒng)控制可靠性很高，但是投資較大。本系統(tǒng)采用一臺交流變頻調(diào)速器控制三臺水泵運行的方案，在電氣系統(tǒng)控制上構(gòu)成兩套閉環(huán)控制系統(tǒng)，同時采用先進的變頻/工頻切換技術(shù)，從而實現(xiàn)了用一臺交流變頻調(diào)速器控制三臺水泵運行，保證了泵站的安全可靠運行，節(jié)省了大量的初期投資，又滿足了泵站整體運行的需要。本套系統(tǒng)在泵站設計應用上具有較高的推廣使用價值。

2.2 恒定（集水池）液位閉環(huán)控制

在泵站系統(tǒng)運行中，通過超聲波液位計檢測的泵站集水池液位L1與控制系統(tǒng)給定的液位L0比較，將其差值信號經(jīng)單回路調(diào)節(jié)器輸出作為變頻調(diào)速器的速度給定信號V1。當來水量增大，液位L1上升，甚至超過L0給定液位。這時速度給定信號V1為正值，促使變頻調(diào)速器輸出頻率f1上升，水泵電機轉(zhuǎn)速n提高，水泵排水量增大。經(jīng)過一段時間抽升后，液位L1下降回到L0給定液位，直到泵站來水與排水達到動態(tài)平衡。反之，當來水量減少時，液位L1減少，促使速度給定信號V1變?yōu)樨撝?，此時變頻調(diào)速器輸出頻率f1下降，水泵電機轉(zhuǎn)速n降低，水泵排水量減少，又使液位L1上升回到L0給定液位，使泵站來水與排水又達到動態(tài)平衡。從而實現(xiàn)了“恒定（集水池）液位閉環(huán)控制”，使污水泵以無級調(diào)速方式完成污水泵站抽升任務。

通過交流變頻調(diào)速器控制水泵運行實現(xiàn)“恒定（集水池）液位閉環(huán)控制”，這樣可以使集水池液位保持在較高的液位上，減小水泵的吸水揚程，提高水泵效率，達到節(jié)能的目的。

在沒有采用交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的泵站中，設計上采用大泵和小泵相結(jié)合的方式，泵站運行中根據(jù)泵站上游來水量的大小，通過開大泵和小泵進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)形式為階梯式調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)波動大，無法保證水泵工作在最佳工況下，與變頻調(diào)速系統(tǒng)相比具有很大差別。

3 泵站應用交流變頻調(diào)速器調(diào)速運行的主要優(yōu)點

（1）通過交流變頻調(diào)速器實現(xiàn)泵站水泵無級調(diào)速運行完成城市污水大幅度波動的調(diào)節(jié)抽升任務，達到節(jié)約電能的目的。

目前我市設計和運行的污水泵站，大多采用大泵與小泵相結(jié)合的設計方案，根據(jù)泵站上游來水量的情況，通過改變開泵臺數(shù)和開泵的大小來調(diào)節(jié)泵站抽水量。這種運行方式的不足主要體現(xiàn)在集水池液位變化大，不能保持集水池液位總處在一個理想的高水位，達到節(jié)能運行的目的。往往抽升水位較低造成水泵運行耗能加大。因此通過交流變頻調(diào)速器實現(xiàn)泵站水泵無級調(diào)速運行，可以始終保持水泵工作在最佳工況下，保持高水位抽升，提高水泵效率，降低單位耗電，達到節(jié)約電能的目的。

（2）通過交流變頻調(diào)速器實現(xiàn)電動機的“軟啟動”，既電機起動時起動電流由0值逐步上升到電機負載電流值。此項功能是交流變頻調(diào)速器具有的一種功能。

交流變頻調(diào)速器具有的優(yōu)良的速度控制和轉(zhuǎn)矩控制特性，保證了電動機良好的起動性能，實現(xiàn)了電動機的軟起功。交流變頻調(diào)速器軟起動功能的優(yōu)點如下：

電動機在直接起動時起動電流很大，起動電流約為額定電流的5～7倍。電動機在“軟起動”時起動電流由0值逐步上升到電機負載電流值，有效地限制了電動機起動時的起動電流，相對延長了電動機的使用壽命。同時，起動電流小，延長了接觸器的壽命，元器件損壞的可能性減少，提高了設備的穩(wěn)定性。小的起動電流使變壓器減少了電流沖擊，提高了變壓器的使用效率，避免了電動機起動對電網(wǎng)的沖擊，減少了電網(wǎng)的波動，提高了電網(wǎng)的質(zhì)量。

（3）采用變頻調(diào)速器后，電動機運行特性較好，電動機運行轉(zhuǎn)速降低，使電動機軸承、水泵軸承等部件不易磨損，由于變頻器功能強大，可靠性高，使得機械故障、電器故障減少，設備壽命延長，從而大大地減少了設備維修工作量和費用。

4 交流變頻調(diào)速器在東莊泵站運行過程中的經(jīng)濟效益分析

水泵電動機的電功率與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系式及水泵流量與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系式：

（1）電動機的電功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式

p=（n/ne）3pe （千瓦） （1）

式中：p-電機消耗電功率（千瓦）；pe-電機額定電功率（千瓦）；n-電機運行轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）；ne-電機額定轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）。

從上述公式分析ne、pe為恒定值，電動機的電功率隨著電機轉(zhuǎn)速n的降低而降低，交流變頻調(diào)速器通過調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)污水抽升調(diào)節(jié)。因此可以使水泵長期在低于額定轉(zhuǎn)速下運行，降低電機消耗的電功率，達到節(jié)省電能的目的。東莊污水泵站經(jīng)過兩年的運行，絕大部分時間水泵是在低于額定轉(zhuǎn)速下運行，因此交流變頻調(diào)速器的應用具有較大的節(jié)能效益。

例如：當電機轉(zhuǎn)速下降10%，即n=0.9ne（轉(zhuǎn)/分）時，則對應電動機功率p=（0.9）3pe=0.73pe（千瓦），既電機功率降低了27%。

（2）水泵流量與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系式

Q=（n/ne）2Qe（千瓦） （2）

式中：Q-水泵流量（千噸/小時）；Qe-水泵額定流量（千噸/小時）；n-電機運行轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）；ne-電機額定轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）

從公式（2）分析，ne、Qe為恒定值，因此水泵流量隨著電機轉(zhuǎn)速n 的降低而降低，交流變頻調(diào)速器通過調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)污水抽升量的調(diào)節(jié)。

（3）水泵運轉(zhuǎn)時單位耗電的計算

單耗=P/Q （度/千噸）

代入（1）式和（2）式

單耗=P/Q

=（n/ne）3pe/（n/ne）2Qe

=（n/ne）×（pe/Qe）

=（pe/Qe ne）n

東莊泵站水泵參數(shù)：pe=95千瓦 Qe=2.7千噸/小時

ne=580轉(zhuǎn)/分

代入上式：單耗={95/（2.7×580）}×n=0.06n（度/千噸） （3）

上面（3）式為單耗與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系式。

（4）東莊泵站運行中實際測量數(shù)據(jù)表（見表1）

表1數(shù)據(jù)表明當電機轉(zhuǎn)速降低時，電機功率、流量和單位耗電均下降。從單位耗電下降可以計算出水泵在低速運轉(zhuǎn)時的節(jié)電效果。

（5）各項參數(shù)下降百分比（見表2）

說明：各項參數(shù)均與電機額定轉(zhuǎn)速580（轉(zhuǎn)/分）時的參數(shù)進行比較。

表2數(shù)據(jù)表明隨著電機轉(zhuǎn)速的不斷下降，電機抽升運行的單位耗電下降百分比逐漸加大，當電機轉(zhuǎn)速下降22.41%時，單位耗電下降了約15%。既當電機運行在450（轉(zhuǎn)/分）轉(zhuǎn)速時，要比電機運行在額定轉(zhuǎn)速580（轉(zhuǎn)/分）時節(jié)電15%。

（6）不同轉(zhuǎn)速時單位耗電理論計算數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù)對比（見表3）：

表3數(shù)據(jù)對比顯示理論計算值與實際測量值基本相符，轉(zhuǎn)速較低時二者基本相等。

（7）東莊泵站應用交流變頻調(diào)速器控制水泵運行的節(jié)電效果計算如下：

根據(jù)表1，當轉(zhuǎn)速從580（轉(zhuǎn)/分）下降到450（轉(zhuǎn)/分）時，單位耗電下降為：31.97-27.17=4.8（度/千噸）

水泵在450（轉(zhuǎn)/分）轉(zhuǎn)速下運行比水泵在580（轉(zhuǎn)/分）轉(zhuǎn)速下運行時每抽升1千噸污水可節(jié)約電能：

4.8（度/千噸）×1千噸=4.8度

以東莊泵站年抽升水量2萬千噸計算，其中大約1.5萬千噸的水量是在水泵以450（轉(zhuǎn)/分）轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)抽升的，則每年可節(jié)約電量：

4.8（度/千噸）×15000千噸=72000度

折合電：72000度×0.6（元）=43200元。

式中電費按每度電0.6（元）計算

上述計算表明：以東莊目前運行情況分析，每年節(jié)約電費支出約4.32萬元，其經(jīng)濟效益是當明顯的。

5 結(jié)束語

通過上述分析，東莊污水泵站應用交流變頻調(diào)速器技術(shù)對泵站機泵實施變頻調(diào)速控制運行具有較大的節(jié)約電能的效果，同時由于電動機的軟起動功能和電機水泵的低速運轉(zhuǎn)減少了泵站運行維護費用，降低了泵站變壓器容量，減少了初期投資，創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟效益。泵站采用交流變頻調(diào)速技術(shù)所取得的經(jīng)驗為今后城市大中型污水泵站的抽升運行提供了可靠的依據(jù)，也為城市大中型污水泵站運行提供了新的運行模式。由于實現(xiàn)了“恒定（集水池）液位閉環(huán)控制”，水泵始終工作在最佳工況下，做到了泵站“安全、可靠、先進、經(jīng)濟”運行，由此產(chǎn)生的社會效益也是較大的，通過泵站兩年多的運行充分證明了這一點。東莊泵站安全可靠運行保證了上游服務區(qū)域內(nèi)人民的正常生活和生產(chǎn)。因此交流變頻調(diào)速技術(shù)在城市污水泵站中的應用具有較大的推廣使用價值。

參考文獻

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[2]關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊[M].北京：宇航出版社，1995.

作者簡介：段俊嶺（1979，12-），漢族，工程師。