供水泵站節(jié)能運行方式的研究

孔淑芹 路文梅 蘇永軍 劉風華 易寶龍

【摘要】文中以引大入港輸水工程的供水泵站變頻改造運行為例，闡述了泵站采用變頻調(diào)速控制運行的優(yōu)點和效果，并對泵站在不同的運行方式下的實際數(shù)據(jù)進行分析，提出了該泵站的最佳運行方案，同時對泵站的設計運行提出了建議。

【關鍵詞】變頻調(diào)速；泵站；控制系統(tǒng)；節(jié)能

前言

對于大多數(shù)采用供水企業(yè)來說，傳統(tǒng)供水機泵存在日常運行、維護費用高，單位供水的能耗偏大的問題，尋求供水與能耗之間的最佳性價比，是供水企業(yè)一直探究的問題。變頻調(diào)速控制技術是一項集現(xiàn)代化先進電力電子技術和計算機技術及控制技術于一體的高效節(jié)能技術，近年來，國內(nèi)許多泵站水廠采取了變頻調(diào)速的節(jié)能降耗措，收到了良好的節(jié)能效果。文中介紹了引大入港（引大浪淀的水到黃驊港）輸水工程的基本情況，闡述了采用變頻控制運行方式的優(yōu)點和效果，并對供水泵站在不同的變頻控制運行方式下進行試驗，探究變頻控制運行的最佳方案，同時對泵站設計及運行提出建議。該項研究對其他泵站的設計運行具有一定的參考價值。

1、引大入港供水泵站的基本情況

引大入港輸水工程主要包括：供水泵站、油田站、黃驊站、港口泵站等。引大入港各泵站設計投運年限不同，機組的控制運行方式不同。其中供水泵站在2004年設計投運，有6臺臥式離心水泵電動機組，電機功率185kW，正常情況下，系統(tǒng)設計運行方式為運行4臺機組，2臺備用。

泵站在設計時裝機一般由最不利條件下、最大時流量和所需相應揚程決定，并考慮今后一定時期的發(fā)展。但是實際運行時會有多種工況，泵站供水對象用水量不均勻，泵站每天只有很短時間能達到最大流量，大多數(shù)時間都處在小流量下工作。水泵大多數(shù)時間在設計效率以下運行，導致電動機與水泵之間常是在低效區(qū)運行。流量變化影響管網(wǎng)水頭損失變化，在幾何揚程很小的情況下，送水泵站出口所需壓力隨流量變化更顯著。引大入港輸水工程的供水泵站在最初設計時沒有采用變頻調(diào)速控制，為適應流量的變化，泵站運行中采取人工調(diào)節(jié)出口閥門控制流量。該種控制方式，難以精確控制流量，系統(tǒng)效率低；當流量降低、閥位開度減小時，閥門前后壓差增加，阻力增大，能耗增加；閥門長期處于40%～70%開度運行，加速閥體自身磨損，導致閥門控制特性變差；閥門調(diào)節(jié)不當時還會增加管網(wǎng)水錘壓力，降低了工作安全特性；過高的管網(wǎng)壓力威脅設備的密封性能，造成管網(wǎng)、閥門泄漏；水泵及閥門系統(tǒng)的使用壽命變短，日常維護量大，維修成本較高。

2、供水泵站變頻調(diào)速運行的優(yōu)點和效果

為解決傳統(tǒng)控制運行方式帶來的問題，對引大入港輸水工程的供水泵站進行了變頻控制改造，運行方式是4臺運行，2臺備用，采用6臺變頻器一對一控制方式。變頻調(diào)速技術其實質(zhì)就是通過在相應的管網(wǎng)壓力傳感信號輸入的狀態(tài)下 ，通過自動調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率 ，達到改變泵站水泵電機轉(zhuǎn)速以及供水量的目的 ，進而在滿足對于水壓以及用水量要求的前提下 ，降低單位供水量的能耗。通過幾年的運行泵站變頻恒壓供水的技術優(yōu)勢和效果較為顯著，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

有效地節(jié)約泵站機組設備運行的能耗。根據(jù)泵與風機學的相似定律，水泵系統(tǒng)采用變頻調(diào)節(jié)時，直接通過改變水泵電機頻率改變電動機轉(zhuǎn)速，以滿足不同運行工況的需求，通過變頻調(diào)速控制，水泵的工作狀態(tài)是隨著用戶用水量以及用水壓力的變化自動的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 ，水泵也是一直處于變頻的工作狀態(tài)。 變頻系統(tǒng)運行時，泵站出口壓力維持不變。給定出口壓力為Hg時，當流量 Q 變動時，因轉(zhuǎn)速變化導致?lián)P程流量特性H1～Q 上下移動，泵工作點在 H=Hg線上作水平移動。通過特性曲線可以清楚地看出水泵消耗軸功率的變化，即采用變頻調(diào)速保證壓力恒定與流量需求。此時電機消耗的能量隨電機轉(zhuǎn)速立方的關系下降，設備運轉(zhuǎn)期間的電能消耗也隨之降低，變頻調(diào)速節(jié)電效果非常顯著。因而相比傳統(tǒng)的恒速水泵而言，降低泵站運行時的耗電量。

根據(jù)水泵相似類關系式，P/P0=（ N/N0）3計算， 式中為 P0額定轉(zhuǎn)速 N0時的功率； P 為轉(zhuǎn)速 N 時的功率。 以一臺水泵使用的 185 k W 電機為例，假設機組24 h 連續(xù)運行， 并且每天運行在90%負荷（ 頻率按 40 Hz 計算， 閥門調(diào)節(jié)時功耗按98%計算）， 全年運行時間 300 天，則采用工頻運行閥門調(diào)節(jié)時每年的耗電量為：

W1=185×98%×24×300=1 305 360 kW·h

變頻調(diào)速運行時每年的耗電量為：

W2=185×（ 40/50）3×24×300=681 984 kW·h

變頻調(diào)速運行較傳統(tǒng)運行方式減少電能消耗：

W=W1- W2=1 305 360 -681 984=623 376 kW·h

每 1kWh 電按 0.5元計算， 則采用變頻調(diào)速每年可節(jié)電費311 688元。引大入港輸水工程所有泵站采用變頻控制方式后，每年節(jié)省了大量的電費。

2）泵站采取變頻調(diào)速控制提高了泵站的運行效率。通過變頻調(diào)速系統(tǒng)，在用水量或者是水壓發(fā)生變化的情況下，通過計算機對這些變化進行自動的檢測，并按照檢測信息調(diào)整泵站水泵機組的工作狀況，進而確保泵站水泵處于高效的運行狀態(tài)。

3）變頻調(diào)速控制系統(tǒng)減小了對供水設備的損壞，降低了維修費用。由于變頻調(diào)速屬于無級調(diào)速方式，能夠?qū)崿F(xiàn)水泵的軟啟動，機泵的啟動電流及啟動能耗大幅降低，從而避免了起動時對電網(wǎng)的沖擊，并且能提高功率因數(shù)， 減小電源設備容量。泵站水泵啟停的自動化控制，無需值班人員進行人工的操作，不僅可以避免操作失誤問題的發(fā)生，而且由于變頻器的啟停較為平穩(wěn) ，避免對于管網(wǎng)造成沖擊及運行磨損，此外由于采取變頻調(diào)速控制管理，能夠避免水泵在切換時出現(xiàn)的震蕩現(xiàn)象，對于延長泵站機組設備使用壽命。采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)后降低了設備的運行維護費用。

4）簡化了操作，數(shù)據(jù)讀取更方便。通過對泵站進行變頻技術改造之后，對于泵站運行過程中的各種參數(shù)例如泵站電機的運行頻率、電流、電壓、變頻器輸入以及輸出端的電壓電流、泵站管網(wǎng)水壓、流量等一系列的參數(shù)，都可以通過數(shù)字化的顯示屏直觀的了解，方便了對于泵站供水系統(tǒng)運行的觀察和控制。

3、不同運行方式下運行數(shù)據(jù)及分析

引大入港輸水工程的供水泵站，設計裝機6臺，運行方式是4臺運行，2臺備用，采用6臺變頻器，一對一控制方式。為了能充分發(fā)揮變頻裝置的作用又能最大程度的降低能耗，結(jié)合泵站的實際情況進行了不同運行方式的試驗，目的是找出該泵站節(jié)能運行的最佳的運行方式。

不同運行方式下的試驗。為了對比不同運行方式下的試驗數(shù)據(jù)，在每天相同時段，供水流量、水壓基本不變的情況下進行試驗。運行方式包括：4臺泵變頻運行，2臺泵備用；5臺泵變頻運行，1臺泵備用；6臺泵變頻運行。試驗數(shù)據(jù)列于表1中。

從表1中可見，在管網(wǎng)壓力相同，流量基本相同的情況下3種運行方式中，采用6臺泵變頻運行時節(jié)能效果最明顯，運行費用最低。假設年均運行時間按300 天，電價 0.5 元/k Wh 計算，日平均日供水量 68400t，年可節(jié)約電費近17.9萬元，平均日供水量，采用相同的運行方式時，隨著用水量的增加耗電量在增加。從近兩年的運行情況看，該供水泵站在通常的供水流量下，6臺機組全部變頻運行的方式耗電量最低；6臺機組運行設備的維修概率反而比原設計4臺機組運行方式時要少?？梢姡摫谜静捎?臺機組全部調(diào)頻運行節(jié)能效果最好。

4、對泵站設計及運行的建議

1）設計時合理選擇機泵設備，提高泵機組效率。可采用考慮泵站年運行時間揚程密度與包絡線法相結(jié)合的方法、等揚程加大流量法進行水泵機組選型，可以節(jié)省泵站運行費用。應及時更換淘汰設備，降低運行維護成本。

2）設計時要考慮變頻設備利用率最大化與遠期變頻應用。對單臺變頻器控制單臺電機、單臺變頻器控制多臺電機、變頻運行和工頻運行相結(jié)合等運行方案進行技術經(jīng)濟比較，提出較優(yōu)化的方案。從經(jīng)濟角度考慮，變頻器拖的電機較多，

控制系統(tǒng)就會越復雜，成本也會較高一些。從國內(nèi)目前成熟的變頻器上考慮，采用1拖2方式的低壓變頻器成本較低，技術也較成熟。

3）運行單位要根據(jù)泵站的實際情況，積極通過現(xiàn)場試驗確定在一定供水條件下的條件下的最佳運行方式，既能充分發(fā)揮變頻裝置的作用又能最大程度的降級能耗。

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