水厂二级泵站中水泵的变频调速节能技术

顾兵

（盐城汇津水务有限公司，江苏 盐城 224000）

1 水泵变频调速运行的节能原理

水厂机泵的选型,一般是按城市最高日，最大时的需水量来确定的，但管网供水显然不是恒定流量，因此在部分时段里机泵都处于低负荷运行。水泵的特性曲线方程为：H=HX-SXQ2而管道的特性曲线方程为：H=HST+∑SQ2

式中H-水泵的实际扬程

Q-水泵的实际出水量

HX-水泵在Q=0时所产生的虚总扬程

SX-泵体内虚阻耗系数

HST-水泵静扬程

S-代表长度及直径已定的管道的沿程与局部阻力之和的系数

水泵装置的工况点是指水泵供给水的总比能与管道所要求的总比能相等的那个点，也即为水泵特性曲线与管道特性曲线的交点。当曲线改变时，工况点就会转移。二级泵站传统的运行方式是进行台数的切换或阀门调节，水泵恒速运行。

根据离心泵的特性曲线公式：

式中：N-水泵使用工况轴功率（kw）；Q-使用工况点的流量（m3/s）；H-使用工况点的扬程（m）；r-输出介质单位体积重量（kg/m3）；η-使用工况点的泵效率（%）。

可求出运行在b点泵的轴功率和c点泵的轴功率分别为：

两者之差为：ΔN＝Nc-Nb=R×Q2×（Hb－Hc）/102η

也就是说，用阀门控制流量时，有ΔN功率被损耗浪费掉了，且随着阀门不断关小，这个损耗还要增加。在水厂二级泵房水泵机组实际运行中我们常见的就是通过调节阀门的开启度来调节流量，即通过增大管网的阻力来平衡水泵的工况（使管道特性曲线变陡）。因为管网的用水量是每时每刻都在变化的，而二级泵站的分级也是有限的，靠水泵台数的切换是不现实的，所以常采用阀门节流措施。虽然使用阀门节流，水泵的轴功率会随着流量的减少而减少，且操作方便易行，但从经济上看，节流调节很明显是用消耗水泵的多余能量来维持一定的供水量；

而用转速控制时，由于流量Q与转速n的一次方成正比；扬程H与转速n的平方成正比；轴功率P与转速n的立方成正比，即功率与转速n成3次方的关系下降。如果不是用关小阀门的方法，而是把电机转速降下来，那么在运转同样流量的情况下，原来消耗在阀门的功率就可以全避免，取得良好的节能效果，这就是水泵调速节能原理。

2 变频调速的基本原理

变频调速的基本原理是根据交流电动机工作原理中的转速关系：

式中：f-水泵电机的电源频率（Hz）；p--电机的极对数；

式中：P-水泵电机的轴功率（Hz）；T-电机的电磁转矩；n-电机的转。

由上公式（1）和（2）可知，均匀改变电动机定子绕组的电源频率f，就可以平滑地改变电动机的同步转速。电动机转速变慢，轴功率就相应减少，电动机输入功率也随之减少。这就是水泵变频调速的节能作用。

3 水泵变速调节中不同运行方式的节能分析

目前，随着科学技术的发展，变速调节运行正成为发展的趋势（其中，变频调速是其主要方式）。变速调节主要有二种运行方式：①恒压变流量运行方式②变压变流量运行方式。下面，我们从能量消耗的角度上来分析恒压变流量运行方式和变压变流量运行方式。

3.1 恒压变流量运行

图3

恒压运行时的特性曲线如图3所示，当管网中的流量从设计流量Q1降为Q2时，压力保持不变（恒为H0），由于水泵采用变频调速，即有原来的满转速n变为n1，理论上此时水泵需要消耗功率为Q2*H0，虽然小于恒速运行时的消耗功率Q2*H1，但仍大于管网此时需要的消耗功率Q2*H2。同恒速运行时一样，多消耗的功（Q2*H0-Q2*H2）仍然是无效地消耗于管网之中。但从效率特性曲线图可知，采用变速运行水泵的效率提高了（由ηA提高到ηB，C点为D点的等效点）；且这种运行方式供水品质优良，可在任何情况下同时满足全网各用户对供水的流量与扬程的不同要求。

图4

3.2 变压变流量运行

从图4特性曲线可知，当管网中的流量从设计流量Q1降为Q2时，由于水泵采用变速运行，使转速从n调为n2，并使水泵的出水压力刚好等于H2，此时理论上水泵的输出功率为Q2*H2，而此时管网需要消耗功率也为Q2*H2，两者刚好相等，水泵也达到其平衡工况点，因此这种运行方式是最节能的。同恒压运行一样，水泵的效率也提高了（由ηA提高为 ηB）。

3.3 分析比较

从以上特性曲线图可知，变速运行相对恒速运行来说，是通过以下两个途径节能的：第一是提高了水泵的效率 ；第二是降低用阀门节流引起的压力损失。通常变速运行比恒速运行多节能12%左右。变速运行中，虽然变压比恒压方式节能，但并不能说变压就一定比恒压好，而应根据实际情况具体分析。恒压运行无须知道流量，只要有一个压力传感器就行；而变压运行是根据流量变化从而使压力作出相应的变化，它必须知道用水量，也就是说，变压运行必须要有流量计，因此，变压运行的造价比恒压运行要高。

在水泵采用变速调节方式时，采用恒压运行方式较安全及经济。在室内外供水系统中大多为此类情况；而在自来水厂中，配水管网一般阻力都较大，即管道特性曲线较陡，应采用变压运行方式才能最大限度的节能。当然，先进的调速设备价格较为昂贵，一次投资较大，因此不能盲目地认为变速调节就一定能节能，当管网中有水塔和水池且其调节容积足够大时，就没有必要采用变速调节了。

4 水泵变频调速控制系统的基本设计

目前，国内在水泵控制系统中使用变频调速技术，大部分是在开环状态下，即人为地根据工艺或外界条件的变化来改变变频器的频率值，以达到调速目的。系统主要由四部分组成：(1)控制对象(2)变频调速器(3)压力测量变送器（PT）(4)调节器（PID）。系统的控制过程为：由压力测量变送器将水管出口压力测出，并转换成与之相对应的4～20mA标准电信号，送到调节器与工艺所需的控制指标进行比较，得出偏差。其偏差值由调节器按预先规定的调节规律进行运算得出调节信号，该信号直接送到变频调速器，从而使变频器将输入为 380V/50Hz的交流电变成输出为 0～380V/0～400Hz连续可调电压与频率的交流电，直接供给水泵电机。

5 水泵变频调速应用的注意事项

水泵调速一般是减速问题。当采用变频调速时，原来按工频状态设计的泵与电机的运行参数均发生了较大的变化，另外如管路特性曲线、与调速泵并列运行的定速泵等因素，都会对调速的范围产生一定影响。超范围调速则难以实现节能的目的。因此，变频调速不可能无限制调速。一般认为，变频调速不宜低于额定转速50%，最好处于75%～100%，并应结合实际经计算确定。

5.1 水泵工艺特点对调速范围的影响

理论上，水泵调速高效区为通过工频高效区左右端点的两条相似工况抛物线的中间区域。实际上，当水泵转速过小时，泵的效率将急剧下降，受此影响，水泵调速高效区萎缩,若运行工况点已超出该区域，则不宜采用调速来节能了。

5.2 定速泵对调速范围的影响

实践中，供水系统往往是多台水泵并联供水。由于投资昂贵，不可能将所有水泵全部调速，所以一般采用调速泵、定速泵混合供水。在这样的系统中，应注意确保调速泵与定速泵都能在高效段运行，并实现系统最优。此时，定速泵就对与之并列运行的调速泵的调速范围产生了较大的影响。主要分以下两种情况：

5.2.1 同型号水泵一调一定并列运行时，虽然调度灵活，但由于无法兼顾调速泵与定速泵的高效工作段，因此，此种情况下调速运行的范围是很小的。

5.2.2 不同型号水泵一调一定并列运行时，若能达到调速泵在额定转速时高效段右端点扬程与定速泵高效段左端点扬程相等。则可实现最大范围的调速运行。但此时调速泵与定速泵绝对不允许互换后并列运行。

结束语

变频调速技术用于供水企业二级泵房水泵的控制系统，具有调速性能好、节能效果显著、运行工艺安全可靠等优点。在大力提倡节约能源，认真落实科学发展观的今天，在供水企业二级泵房中使用这种集现代先进电力电子技术和计算机技术于一体的高科技装置，对于提高劳动生产率、降低生产能耗，节约成本具有重大的现实意义。

【1】郑立刚浅析二级泵站中水泵的调速节能【J】.山西建筑，2007.