變頻調(diào)速在水泵節(jié)能技術(shù)改造中的應(yīng)用研究

李迎春

1、廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院2、廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院動(dòng)力工程系

變頻調(diào)速在水泵節(jié)能技術(shù)改造中的應(yīng)用研究

李迎春1，2

1、廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院2、廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院動(dòng)力工程系

水泵高能耗問(wèn)題已受到水泵行業(yè)的廣泛重視，加快節(jié)能技術(shù)改造成為工業(yè)生產(chǎn)和加工制造業(yè)等發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求，而變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。本文闡述了水泵變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)改造的基本原理，對(duì)節(jié)能效果進(jìn)行了分析比較，并以具體案例分析了水泵變頻調(diào)速節(jié)能改造的經(jīng)濟(jì)效益，提出了要加強(qiáng)水泵變頻調(diào)速技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。

變頻調(diào)速；水泵；節(jié)能技術(shù)改造；應(yīng)用研究

我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度受資源和能源約束日益突出。目前，我國(guó)約20%的電能用于各類水泵驅(qū)動(dòng)，但水泵使用效率低、運(yùn)行成本高等問(wèn)題較多，平均效率比國(guó)外先進(jìn)水平低3～5%，整個(gè)泵站系統(tǒng)效率則低約20%[1]。水泵正常的節(jié)電潛力范圍為20～40%，節(jié)能有非常大空間。水泵節(jié)能技術(shù)有多種，但變頻調(diào)速是最重要的手段之一。

1 關(guān)于水泵的高能耗問(wèn)題及節(jié)能技術(shù)改造

水泵運(yùn)行高能耗問(wèn)題是常見技術(shù)問(wèn)題，主要包括以下內(nèi)容：一是水泵和管道之間不匹配，導(dǎo)致“大馬拉小車”，在這種情況下，水泵在“大流量、低效率、高功耗”工況下運(yùn)行[2]。二是水泵連接方式及其配置不合理，導(dǎo)致水泵能耗大量增加。三是由于安裝回路中出現(xiàn)水漏滲以及系統(tǒng)回路阻力不平衡導(dǎo)致耗能增加。四是水泵質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致能耗增加等。

從目前來(lái)看，水泵節(jié)能技術(shù)改造包括較多方面：加強(qiáng)水泵的管、維、修，使機(jī)泵處于完好狀況，提高自身效率；正確選型，避免水泵效率過(guò)低、能源浪費(fèi)，比如多級(jí)水泵采取減級(jí)運(yùn)行、單級(jí)揚(yáng)程過(guò)高采取車削葉輪實(shí)現(xiàn)；更新水泵選型，解決機(jī)泵運(yùn)行效率和額定效率相差大等問(wèn)題，以及通過(guò)減少管道系統(tǒng)中不必要的彎道、閥門等并定期清污堵漏，根據(jù)生產(chǎn)需要選擇最佳并聯(lián)方式，離心泵去掉底閥（或逆止閥）運(yùn)行以提高效率等。但在各種節(jié)能技術(shù)改造中，變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)優(yōu)勢(shì)最為明顯。

2 水泵變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)改造的基本原理

調(diào)速調(diào)節(jié)是指不改變管網(wǎng)曲線而通過(guò)改變水泵轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)其性能曲線改變來(lái)調(diào)節(jié)流量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的則由風(fēng)機(jī)和水泵自身特點(diǎn)決定。根據(jù)比例定律，在相似運(yùn)行條件下，有：

其中：Q為流量、H為揚(yáng)程、P為軸功率、n為轉(zhuǎn)速。

上式可以看出，泵的流量、揚(yáng)程以及軸功率分別與其轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速的平方、轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此，轉(zhuǎn)速降低、流量一般降低，但是功率則大幅度降低[3]。

如圖1，水泵轉(zhuǎn)速由n1轉(zhuǎn)為n2(n2=1/2n1)，則其性能曲線轉(zhuǎn)為（H-Q）*n2、流量為Q2(Q2=l/2Q1)、壓頭為H2、效率為ηC。此時(shí)，理論耗能僅僅為額定功率的1/8，節(jié)能達(dá)到50%。同時(shí)，調(diào)速調(diào)節(jié)效率ηC≈ηA，此時(shí)，風(fēng)機(jī)水泵仍可實(shí)現(xiàn)在高效區(qū)工作，這是另一個(gè)節(jié)能來(lái)源[4]。

圖1 水泵節(jié)流調(diào)節(jié)與調(diào)速調(diào)節(jié)耗能比較圖

變頻調(diào)速的節(jié)能技術(shù)改造是水泵節(jié)能的主要手段，優(yōu)點(diǎn)明顯：變頻調(diào)速的效率和功率因數(shù)高、調(diào)速范圍寬、精度高，以及能實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)且能相對(duì)減少電網(wǎng)電流沖擊和運(yùn)行設(shè)備的機(jī)械沖擊從而延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。水泵變頻調(diào)速一般采用兩種方式：變頻恒壓變流量和變頻變壓變流量供水，前者應(yīng)用更廣泛，后者技術(shù)更為合理、實(shí)施難度更大，但代表水泵變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)的發(fā)展方向。在實(shí)際改造中，需要綜合考慮用戶經(jīng)濟(jì)條件、節(jié)能指標(biāo)和設(shè)備運(yùn)行要求選擇改造方案，比如，液力耦合器調(diào)速屬于低效調(diào)速方式，投資少、見效快、資金回收周期短等，對(duì)于老設(shè)備來(lái)說(shuō)更具有明顯節(jié)能效益。

3 水泵變頻調(diào)速節(jié)能效果的計(jì)算

根據(jù)比例定律，流量百分比一定時(shí)，在靜揚(yáng)程不同的情況下，水泵的轉(zhuǎn)速、軸功率和節(jié)電率均不同，需要進(jìn)行逐點(diǎn)計(jì)算，表1列出了相互之間的關(guān)系。

表1 靜揚(yáng)程和轉(zhuǎn)速、軸功率與節(jié)電率之間的關(guān)系（單位：%）

在不同靜揚(yáng)程下，水泵采用變速調(diào)節(jié)及出口閥門調(diào)節(jié)方式時(shí)流量比qv/qvn和所消耗的軸功率之比P/Pn的關(guān)系曲線相似，且相交于qv/qvn=1這一點(diǎn)（如圖2），可以發(fā)現(xiàn)，通常選定的水泵的消耗的軸功率之比一定高于理想選定的水泵消耗的軸功率之比。同時(shí)，在不同工況點(diǎn)下，水泵的變頻調(diào)速拋物線則相似但不相交（如圖3，注：這里的Hc為額定揚(yáng)程）。

圖2 水泵系統(tǒng)在不同靜揚(yáng)程下的軸功率流量特性--轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；出口閥門調(diào)節(jié)

圖3 不同工況點(diǎn)下的水泵變頻調(diào)速拋物線

在實(shí)際工程運(yùn)行中，水泵系統(tǒng)的節(jié)電效果，需要根據(jù)機(jī)組負(fù)荷曲線和氣溫變化曲線進(jìn)行綜合計(jì)算得出。

4 水泵變頻調(diào)速節(jié)能改造的效益分析

在掌握了水泵的客觀運(yùn)行規(guī)律的前提上對(duì)其進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造，同時(shí)需要考慮水泵容量和調(diào)速裝置的具體投資額度。通常情況下，容量決定節(jié)電量。對(duì)于水泵類設(shè)備采用變頻調(diào)速節(jié)能改造的效益，通常采用水泵在不同控制方式下的流量現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的負(fù)荷變化情況進(jìn)行計(jì)算。

例如上海龍亞泵閥制造有限公司的IS150-125-400型離心泵共三款（如表2），選擇流量200m3/h型水泵分析節(jié)能改造效益。

表2 IS型離心泵性能參數(shù)表

根據(jù)表2可知，其額定流量200m3/h，揚(yáng)程50m；配備電動(dòng)機(jī)的額定功率45kW，為水泵在閥門調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)的流量。根據(jù)水泵運(yùn)行要求，連續(xù)全天24小時(shí)運(yùn)行，設(shè)定其中11h運(yùn)行負(fù)荷為90%，13h運(yùn)行負(fù)荷為50%，全年運(yùn)行300天。

根據(jù)演算可知：年節(jié)電量Q=Q1+Q2，其中：Q1為90@負(fù)荷的節(jié)電量，Q2為半負(fù)荷的節(jié)電量。

按照每度電0.5元的價(jià)格計(jì)算，則該水泵每年可節(jié)約電費(fèi)E，則：E=0.5*17.77≈8.89（萬(wàn)元）。

上述證明了變頻調(diào)速在水泵節(jié)能技術(shù)改造中能取得非常顯著的節(jié)能效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

從目前來(lái)看，在工業(yè)生產(chǎn)和加工制造業(yè)中，水泵變頻調(diào)速技術(shù)改造，能夠充分提高電能的利用效率，能很好地避免低負(fù)荷且高功率運(yùn)行所帶來(lái)的能源浪費(fèi)，從而實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的目標(biāo)。同時(shí)，根據(jù)水泵變頻調(diào)速節(jié)能改造的效益分析可以知道，在水泵及及其電機(jī)等成套設(shè)備的投人運(yùn)行中，全部投資成本能夠在更短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)回收。

[1]秦宏波,胡壽根.泵系統(tǒng)測(cè)試方法的研究及其在系統(tǒng)優(yōu)化中的應(yīng)用[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2010,37(07):58～63．

[2]郭歡.水泵變頻節(jié)能技術(shù)：原理、設(shè)計(jì)、應(yīng)用[J].山西煤炭管理干部學(xué)院學(xué)報(bào),2008(02):172+175.

[3]王瑜瑜,劉少軍.基于變頻技術(shù)的水泵節(jié)能控制系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013(08)：166～167+170.

[4]劉應(yīng)誠(chéng),邵萬(wàn)珍.風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)速節(jié)能技術(shù)問(wèn)答[J].自控與監(jiān)側(cè),2005(03):58～61.

李迎春，女，1976年出生，湖南省邵東縣人，碩士，工程師，研究方向：水利工程、動(dòng)力工程、工程經(jīng)濟(jì)。

資金項(xiàng)目：2014年度廣西教育廳高?？蒲许?xiàng)目“水泵節(jié)能技術(shù)在供水工程中的應(yīng)用研究”（項(xiàng)目編號(hào)：YB2014548）。