浅谈清水泵站变频调速节能技术原理

林彩荣

（厦门水务中环制水有限公司，福建 厦门 361000）

自来水厂的清水泵站（二级泵站）是自来水生产过程中能源消耗的重点部位之一。长久以来，水泵一直延用定速的方式运转，对供水管网中的负荷变化常通过调节阀门来实现，这种运转方式使得清水泵的能耗高，运行成本大。本文从水泵的运行工况分析，来阐述能耗高的原因及采用变频调速的节能原理，提倡清水泵站应全面使用变频调速技术。

1 水泵定速运转能耗分析

有人认为，清水泵站能耗高，主要是因为使用阀门节流调节流量造成的。那么有些清水泵站运转时，基本上就没有使用阀门节流调节流量，难道这些泵站就不会耗电了吗？事实上，水泵装置以定速运转，即使没有使用阀门节流调节流量，但是只要水泵装置运转时的实际工况点偏离了设计工况点，就会产生能量的浪费。

为了简化叙述，下面我们将以单台水泵装置为例进行能耗分析。清水泵站一般都是以多台水泵并联运转的，对此可以按等扬程条件下，流量叠加的方法，绘出二台或二台以上水泵并联运转时的Q-H（n0）特性曲线，并将其假想成是一台大型的新泵。经过这样的处理后，就可按以下的方法进行分析了。

某清水泵站使用的离心式水泵装置的性能曲线，如图1所示，曲线Ⅰ是水泵在额定转速（n0）下的Q-H（n0）性能曲线，它表明水泵供出的能量随着流量的增加而降低。曲线Ⅱ是按管路系统的Q-H关系式H=H净+SQ2绘制的管路性能曲线，它表明管路系统需要的能量随着流量的增加而上升。曲线Ⅰ和曲线Ⅱ相交于A点（QA、HA），A点是按管网最高日，最大时的设计秒流量计算出的设计工况点。水平点划线PL是以HA为基准设定的出站水压控制下限。水平点划线PH是为了防止管网水压超过管路的设计工作压力而设定的出站水压控制上限。

假设某时刻管网的用水量由QA减少为QB，那么水泵装置的实际工况点将随之发生改变。过QB作垂线与曲线Ⅰ和曲线Ⅱ分别相交于B和B′，如图1所示，从图上看出，当流量由QA减少为QB时，水泵供出的能量由HA升到了HB，升高了△HB1=HB-HA。而管路系统需要的能量则由HA降到了 HB′，降低了△HB2=HA-HB′。水泵供出的能量为HB，而管路系统需要的能量只有HB′，水泵装置的能量处于供大于需的状态，供需差距为△HB=HB-HB′=△HB1+△HB2。此状况表明，水泵装置的能量供需关系是失衡的，需要进行调整。

图1

水泵是以定速成运转的，所以供出的能量将不能改变，曲线Ⅰ的形态也保持不变，在这种情况下需调整能量供需关系，只能改变管路系统对能量的需求了。在供大于需的情况下，这无疑扩大了管路系统的能耗，这也正是水泵定速运转能耗高的关键。

由关系式H=H净+SQ2可知，管路系统对能量的需求由二部分组成，一是用来克服管路系统中各种阻力所需要的能量。对于特定的泵站，管路阻力参数S是一定值。但是通过改变管路上的阀门的开启度，S值将随之改变。二是用来克服地形高差和保持管网中必要的水压所需要的能量（H净）。由此可知，如果在H净的基础上，管网再增加一定的水压，那么管网就会产生过剩水压，管路系统需要的能量自然就会增加，曲线Ⅱ随之向上移动。

据此，以 H=（H净+△HB）+SQ2式，代入不同的流量进行计算，把计算结果标注在图1上，再用平滑的曲线将各点连接起来，就得到一条上移的管路性能曲线，如图中曲线Ⅲ。从图中看到B′随同曲线Ⅲ向上移动了△HB的高度，最终在B点与B重合。水泵装置的能量供需关系最终在B点达到了新的平衡，实际工况点也就移到了B点。

由此可见，管网的用水量由QA减少为QB，水泵装置的实际工况点则从A点移到了B点，整个过程并没有使用阀门节流调节流量，完全是由水泵自动完成的。可是管路系统消耗的能量却增加了△HB。增加的这部分能量被转变成了管网中的过剩水压，最终被浪费掉了，这种浪费容易被人们忽视。

假设某时刻管网的用水量由QB进一步减少到QC，同理，过QC作垂线分别与曲线Ⅰ和曲线Ⅲ相交于C和C′，见图1，水泵装置的能量供需差距为△HC=HC-HC′，需要进行调整。

为了使水泵装置的能量供需关系达到新的平衡，需继续提高管网中的过剩水压，以扩大管路系统对能量的需求，使曲线Ⅲ再向上移动。但是当移动到曲线Ⅳ的位置时，与出站水压控制上限PH相遇。如图中D点，此状态表示管网的水压已达到设计工作压力，不能再升高了。可是，此刻水泵装置的能量供需关系仍未达到平衡，还需要继续调整。

这时只有关小水泵出口侧管路上的阀门的开启度，以增大阀门的局部阻力，（即采用通常所说的用阀门节流调节流量的方法）改变管路阻力参数S，迫使管路系统的性能曲线的曲率增加，形态变徒，如图中曲线Ⅴ。最终C′在C点与C重合，水泵装置的实际工况点又移到了C点。

通过调整，管路系统消耗的能量增加了△HC=HC-HC′其中有△HC1的能量被转变成了管网中的过剩水压，有△HC2的能量是被阀门直接消耗掉了。

由图可以看出，当管网的用水量在QA～QD区间波动时，被浪费掉的能量基本上都转变成了管网中的过剩水压。只有当用水量小于QD时，被浪费掉的能量才有一部分转变成了管网的过剩水压，而另一部分则被阀门直接消耗掉了。

从以上分析可知，水泵装置以定速运转时，只要管网的用水量小于最高日、最大时设计秒流量，水泵装置的实际工况点就会偏离设计工况点，由此就会造成能量的浪费。水量波动的幅度越大，能量浪费的就越多。

2 水泵调速运转能耗分析

水泵改变转速可以节能的理论依据是水泵的比例率：

式中，Q（Q′）、H（H′）、N（N′）分别是水泵的转速为n（n′）时的流量、扬程和轴功率。

以上三式反映出同一台水泵的转速改变后，其主要性能参数的变化规律。

由此可知，如果水泵装置的转速可以改变的话，就等于可以改变其能量供需调整的方法了。我们知道，水泵定速运转时，在进行能量供需调整过程中，表现出的特点是：以供定需。就是以水泵供出的能量作基准，用扩大管路系统对能量需求的办法，来达到水泵装置能量的供需平衡，因此能量浪费严重。如果水泵可以调速，那么供出的能量就可以改变，在进行能量供需调整时，就可以管路系统对能量的需求作为基准，从改变水泵的转速入手，以改变水泵供出的能量，从而使水泵装置能量供需达到平衡。概括地说，就是按需供给，这样自然不会再造成能量浪费了。仍以某清水泵站为例，泵站使用的水泵，管路等设备的规格、型号及相关的技术参数均保持不变，不同的仅是水泵的转速是连续可调的。相关曲线见图2。

假设某时刻管网的用水量同样由QA减少到了QB。同理，过QB作垂线与曲线Ⅰ和曲线Ⅱ分别相交于B和B′。此刻水泵供出的能量为HB，管路系统需要的能量为HB′，水泵装置能量供需之间相差△HB=HB-HB′。如图2所示，此状态表示由于管网用水量发生变化，导致水泵装置能量供需关系出现了不平衡，需要进行调整。

图2

我们先把水泵的转速由额定转速n降低到n′，再在曲线Ⅰ上任取几点，然后把各点的流量、扬程分别代入公式①、②，计算出对应各点的Q′、H′。最后把计算结果标注在图2上，并用平滑的曲线连接各点，就得到一条下移的转速为n′的 Q-H（n′）水泵性能曲线，如图中曲线Ⅲ。B点随着曲线的下移，最终在B′点与B′重合，表明水泵装置的能量供需在B′重新达到平衡，其实际工况点已经移到了B′点。

由分析可知，水泵装置以调速运转时，管网的用水量由QA减少到QB，水泵装置的工况点则由A移到了B′。由此水泵供出的能量降低了△HB，水泵装置的能耗得以降低。节约下来的能量正好等于在定速运转时被浪费掉的能量。可以这么说，水泵装置如果改为调速运转，那么在定速运转时被浪费掉的能量就能够节省下来，而且被浪费的越多，节能的潜力越大。

3 应在清水泵站全面推广使用水泵变频调速技术

清水泵站是企业节能工作的重点，与原水、污水等泵站相比，清水泵站的流量变化幅度更大，具有更大的节能潜力。我们知道，清水泵站的设计工况点是按管网最高日，最大时设计秒流量计算的。在实际运转时，管网用水量基本上都小于设计秒流量。可以说一年有8760个小时，如果清水泵站延用定速的方式运转，那么就有8759个小时会偏离设计工况点。每年冬夏，每天的日夜，管网的用水量都会出现大幅度的波动。这些都是造成能量浪费的重要因素，也是决定清水泵站应加快节能工作、率先使用变频调速技术的重要因素。

清水泵站要保证节能效果，就离不开性能优良的调速装置。交流变频调速装置具有调速范围宽，动态响应快的特点，还具有闭环控制和PID人工智能调节工能，可以根据流量的变化，自动调节水泵的转速，能有效地保证节能效果，但是价格昂贵则是它的最大的弱点。这在一定程度上限制了它的推广使用。节能即是一项技术经济工作，也是一种社会责任，为了提高企业节能工作水平，应集中有限的资金，突破节能工作的重点，才能使企业的节能工作有一个跨越式的发展。

[1] 泵站节能技术[M].北京:水利电力出版社.

[2] 山厚生.交流变频调速的节能效果及估算电气传动，2008.