水泵变速调节技术节能效果分析

刘 琦

(武汉大学 动力与机械学院，湖北 武汉 430072)

水泵是一种常见的流体机械，在采矿冶金、化工、电力、动力工程、城市给排水和农田灌溉等众多领域都得到了广泛应用，并发挥着不可替代的作用。具有关资料报道，我国水泵和风机的装机容量达1.5 亿KW，其耗电总量占到了全国总发电量的20%以上。值得一提的是我国泵站水泵的耗能量占到全国发电量的1/10 左右，在“十一五”期间，国家投资97.72 亿元和88.95 亿元分别对大型排涝泵站和大型灌溉泵站进行了改造更新，每年能够节省的电能约占大型泵站年总耗电量的25%左右。

由于水泵选型容量选得较大、系统匹配不合理以及普遍采用节流调节对水泵的运行工作点进行调节，我国水泵的实际使用效率普遍要比发达国家低10%－20%，造成严重的能源浪费。水泵在调节流量时运用变速调节方式能够节省大量电能，这对我国节能减排有重要意义。

1 变速调节技术

由于在水泵选型时，需要根据运行过程中可能出现的最大负荷进行选型，然而在实际运行时，水泵不会总是保持在满负荷运行。因此，水泵运行时，其运行工况并非一成不变，而是随着外界负荷的变化需要进行相应调节。对水泵运行工况的调节主要有三种方式:(1)只改变水泵本身的性能曲线;(2)只改变管路系统的特性曲线;(3)两种曲线同时改变。常用的调节方法有节流调节、入口导流器调节、切割调节、旁路调节等。本文主要介绍变速调节和节流调节，并将通过实例计算对这两种调节方法进行比较。

上图中，曲线2 为节流调节前的管路特性曲线，曲线1 为节流调节后的管路特性曲线，曲线3 为变速调节前水泵的性能曲线，曲线4 为变速调节后水泵的性能曲线。

节流调节是水泵调节的一种传统方式，它通过增加管路中的附加节流损失而使水泵的运行工况发生改变，在图中表现为从A 点变为B 点，流量从Q1 变为Q2。这种调节方式简单可靠、投资低，但是增加了系统中的阻力，能量损失大，由于节流后运行点会偏离高效区，在中大型水泵中，采用此方法是很不经济的。

变速调节是通过改变转速来改变水泵的性能曲线，从而改变水泵的运行工况点。即图中的A 点变为C 点，流量同样从Q1 变为Q2。与节流调节相比，变速调节没有附加的节流损失，在图中直观地表现为减少了BC 段扬程。同时，变速调节时，水泵的效率能够保持不变，因此具有很好的节能效果。

2 实例计算分析

火电厂中水泵是主要的耗能设备，其耗电量占到了厂用电的60%左右，如果能合理运行调节这些设备，提高设备的效率，这将节省大量能源并取得可观的经济效益和良好的社会效益。

某火电厂给水泵的性能参数如下表(当转速n=2980r/min 时)，管路系统特性曲线已在图中画出。由于每天各个时段用户用电需求不同，电厂的负荷也随之改变。如果现在要求给水泵提供的流量变为200。首先根据表格的数据，在图中画出相应曲线，水泵性能曲线与管路特性曲线的交点即为改变流量前水泵的工作点，此时流量为300，扬程为1430m。将水的密度定为1000kg。

2.1 用节流调节改变流量

由于节流调节改变的是管路特性曲线，泵的性能曲线不会改变。当流量为200 时，从水泵特性曲线上读出扬程为1590m，从图表中可查出效率为0.63。

2.2 用变速调节改变流量

由于变速调节改变的是泵的性能曲线，而管路系统中不会增加阻力损失，故管路特性曲线不会改变。当流量为200时，从管路特性曲线上读出扬程为1300m。

因此相似抛物线为:

在图中绘出相似抛物线，与水泵性能曲线于一点，此点极为相似工况点，它们的效率相等，从图中查出效率为0.66(相似抛物线上的工作点效率相等)。

2.3 对比分析

采用变速调节比节流调节方式节省的功率为:=301.7KW。

相对节电量为:=22%。

如果此给水泵每天工作20 小时，一年工作300 天，那么一年可节电1810200 度电;如果每度电按0.5 元计算，一年可以节省90.51 万元。可见节能效果和经济效益都十分可观。

3 变速调节的实现

改变转速的方法主要有以下几种:(1)通过改变机械装置的传动比来改变转速。装置需要配置相应的变速齿轮或则皮带轮，这是一种有级变速调节。(2)对于300MW 以上机组的锅炉给水泵，由于普遍采用汽轮机驱动，因此可以通过改变汽轮机的进气量来调速，这种方法是一种无级变速调节。(3)采用液力耦合器进行调速。所谓液力耦合器，它是一种利用流体的动能来传递能量的机械，能够实现无级调速，而且调速范围较大，比节流调节节省能量。但是这种方法调速精度不高，设备初期投资较大。(4)变极调速。通过改变电机定子的极对数来改变异步电机的转速，大中型异步电机一般采用双速电动机进行变极调速。(5)变频调速。变频调速是基于电动机转速与工作电源输入频率成正比的原理，采用变频器改变电动机定子端输入电源的频率来改变电动机转速的调节方法。变频调速是最理想的调速方案，具有调速效率高，调速精度高的特点，而且可以在较大范围内实现无级调速，并且可以实现软起动从而可以减少对设备的机械冲击和对电网的电流冲击。随着科技的进步和工业的发展，变频设备的价格呈下降趋势，由于其节能效果显著，因而在中小型电机调速得到了应用。但是在国内还没有成熟的高压大容量变频设备，这也限制了其应用和推广。

4 总结

我国正处于经济高速发展的时期，由于我国人口众多，人均资源大大低于世界平均水平，能源利用效率低和能源短缺已经成为限制我国经济发展的重要因素。由于泵类的耗电量占到全国总发电量的1/5，然而水泵在运行过程中普遍存在效率低、运行管理粗放的问题，很大部分水泵仍然采用落后的节流调节技术，造成巨大的能源浪费。在水泵领域推广变速调节技术能够显著减少电能的浪费，这对我国经济的发展以及和谐社会的建立将起到积极的推动作用。

［1］何川，郭立君.泵与风机(第四版)［M］.北京:中国电力出版社.2008

［2］陈坚，李琪，等.中国泵站工程现状及“十一五”期间泵站更新改造任务［J］.水利水电科技进展.2008，28(2)

［3］张文钢，黄刘琦.水泵的节能技术［M］.上海:上海交通大学出版社.2010