水泵变频调速技术在水厂中的应用

陈银年

【摘 要】本文结合多年来的工作经验，先对变频器的工作特点进行分析，进而对水水泵变频调速技术在水厂中的应用进行了论述，最后提出了未来发展方向。

【关键词】水泵变频调速技术；水厂；应用

前言：

在泵房的水泵中进行变频调速技术改造，通过调节水泵转速来调节输水量，其节能效果是非常显著的，而且对于后序的工艺冲击都是非常小，从而实现了很好的出水水质。

一、变频器的工作特点

变频调速器也是变压变频装置，主要应用于异步机或同步机转速的调节。在压力确定的情况下，电动机与电源频率成正比，因此只要改变电源频率就可以改变转速，这样就可以达到变频调速的目的。通过变频调速器可以将50Hz的交流电源交换成电压、频率可调的三相交流电源。一个交流电动机变频调速系统主要由变频调速器、交流电动机和控制器三部分组成，其中最为重要的变频调速器，其主要应用于电动机电压和频率的平滑变化。变频调速与传统的调压调速、变极调速、串级调速等调速方式不同，变频调速的调频范围更广泛，静态精度更高，系统效率也更高，这对于变频器的保护性更好，更易于实现自动控制和过程控制，因此变频器将会更广泛的应用于调速中。

二、提升泵房运行中存在的主要问题

1）水泵采用截流，偏离高效区的运行，耗能非常严重

水厂在运行中，不同时段用水量需求差距很大，通过增加开水泵或调节阀门开启度来调整供水量和管压，开启度范围是10%-100%。存在着非常大的能量浪费，主要体现在：①把闸阀关小，水头的损失有所增加，管路特性向左上方向开始移动了，水泵的工况也向左上向去来移动。闸阀关得越小，局部的水头损失就会越大，流量越小，也就造成了电能的浪费。②通过阀门减小其流量，泵出口阀关小，就会出现泵出口流量的下降。较高的水压还会造成管路、阀门密封的破坏。加速了泵腔、阀体的磨损，严重时就会损坏设备。

2）截流调节时突然增大的水量对沉淀池的影响

水厂反应沉淀池的工作原理是靠机械或水力搅拌使原水与混凝剂快速均匀混合后，通过接触、碰撞，形成肉眼可见的大的密实絮凝体，以便于后续沉淀池的颗粒沉淀作用过程。在外部管网用水量需求增大时，提升泵房需要随时调整出水阀门开启度或增开一台水泵，水量的突然增大造成了對絮凝沉淀池的冲击，使得G值（速度梯度）增大，T值（絮凝时间）减小。絮凝池前端已形成的矾花颗粒絮体破碎，沉降性能减弱，末端出水浑浊，导致沉淀池出水浊度升高，滤池负担过重，进而影响出厂水的水质。为控制絮凝沉淀池稳定工作，在实际运行中，提升泵房开启第三台水泵流量增加时需长时间开启，阀门开启度缓慢增大，增加了工人的劳动强度。

三、提升泵房变频改造的实施方案

1.变频节能原理

变频调速在频率发生变化后，电动机在频率同步转速附近运行，转速损失不增加调速方式。因此变频调速是高效的调速方式，它的调速范围在1%-100%，在整个范围内，有很高的调速频率。变频调速方式适合在调速范围宽、负荷变化运行的设备。据电机学原理：异步电动机转速与频率具有以下关系：n=60fp（1～s）式中：f为电源频率，s为电动机转差率，p为电动机磁极对数。由此式可以看到，电动机转速与电源频率是成正比的，所以改变电源频率即是改变转速，从而保证了变频的调节速率。

2.提升泵房原有设备状况

提升泵房在实际运行中，存在3台离心泵偏离高效区运行的现象，且运行时间长达20a之久，设备老化，水泵效率下降。水厂技术人员使用BSC-3手持式泵效速测仪对1～3#水泵效率进行测试，测得水泵效率只有60%左右。日常运行基本采用4#、5#潜水泵，流量不够时增开6#潜水泵，其他作为备用泵。

3.实施方案

通过对水泵变频调速原理及水泵特性曲线的分析，水厂决定对提升泵房的两台20sh-28离心泵进行改造，改造其中2#机组为变频运行机组，水泵流量1667m?/h，扬程7.6m。3#机组为软启动，水泵流量1260m?/h，扬程7m。改造完毕后，水厂有两套方案保证供水量。①正常情况下，运行一台变频泵一台潜水电泵，补充流量时再开启3#泵。②正常情况下，运行一台变频泵一台潜水电泵，补充流量时再开启5#或6#潜水电泵。

4.改造后运行效果

提升泵房2#、3#泵改造完毕后，开始试运行。机组搭配为运行2#离心泵和4、6#电潜泵，经过一段时间运行数据统计，提升泵房平均单方水电耗0.029kWh/m?。在满足水量要求的情况下，我们认为此种搭配形式不够经济。决定改变提升泵房机泵组合搭配形式，启用3#离心泵替代6#电潜泵运行。通过运行数据显示，水厂这种机泵组合方式更加经济合理，水泵机组能够保持长期高效运行，单方水电耗大幅下降，统计单方水电耗下降为0.021kWh/m

3，节能降耗效果明显，经济效益十分可观。变频改造后提高了系统的自动化程度，减少了操作量，减轻了工人的劳动强度。改造后的系统由运行人员对各运行的水泵或构筑物运行情况进行实时监控和调整。根据提升泵房在线流量计瞬时流量值，在满足系统的压力前提下，及时调节变频器的输出频率来调节泵的转速，实现供水量的实时调节。

改造后系统的能耗降低。改造前只能通过调节水泵的出水阀门的开度调节供水量，改造后通过调节泵的转速调节供水量。泵的转速变化定会改变轴功率的需求实现节能的目的。

由于电机是直接启动的，启动电流相当于4-7倍额定电流，这样会对机电设备和电网造成了冲击，而且会产生大电流对阀门的损害，对设备、管路的使用寿命都是非常不利的。使用变频节能装置以后，利用软启动功能，把电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击，从而延长设备和阀门的使用寿命，节省了维护费用。

四、效益分析

1.经济效益分析

水厂提升泵房2、3#机组改造以来，设备运行良好，流量调节方式经济可靠。为摸清设备性能，发挥新技术的最大潜能，水厂技术人员对变频机组的运行进行了多次测量。改造前后的单耗分别为0.028kWh/m?和0.021kWh/m?。

年节省电耗：W=（0.028-0.021）×4400万m?/a=30.8万kWh每度电按0.60元计算，则每年可节约电费18.48万元。现低压变频设备价格约10万余元，根据估算节电效益和安装等费用，预期回收周期约7个月。

2.社会效益分析

由于机泵变频改造项目的实施，使絮凝沉淀池等后续工艺受水量的冲击减小，避免了沉淀池矾花的上浮现象的发生，使沉淀池出水得到了明显改善，降低了后续滤池工艺的处理难度，从而确保了出水水质。

五、变频调速技术的未来发展方向

1.缩小装置的尺寸

随着变频调速技术应用的更加广泛，对于变流器的要求也将越来越高，缩小装置的尺寸，使变流器更加的紧凑，对于功率要求和控制元件也可以具有更高的集成度。变频器可以采用新型电工材料制造的小体积变压器，如紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源等，从而改变固有的功率器件冷却方式，将功率模块智能化，使得变频调速更加的高效。

2.开发清洁电能的变流器

清洁电能变流器是未来变频调速技术在火电发电厂中应用的方向之一，清洁变流器指的是变流器的功率因数为1，最大程度上降低网侧和负载侧的谐波分量，这样可以有效减小对电网的损害和电动机的转矩脉动，变频器可以改变电路结构和控制方式，达到清洁电能转换的目的。除此之外，对于中小容量的变流器，也可以提高开关频率的PWM控制，这样可以使得变流器更加的高效。

结束语

综上所述，将变频调速技术应用到水厂，可以对传统的调节方式进行改善，达到一种理想的调速控制状态。同时，其技术必然会在水廠中得到广泛应用，成为水厂发展的必然趋势。

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