自来水厂水泵变频节电改造效果分析

李会祥+赵敏

摘  要：节能降耗是建设资源节约型社会的重要措施，也是企业降低生产成本最有效和最安全的一种方法。随着电力电子技术和自动控制技术的快速发展，变频调速技术在节能降耗、自动化生产等方面的优势得到充分体现，并得到了迅速的普及和应用，产生了巨大的经济效益和社会效益。简要介绍了变频调速技术的节能原理，并对自来水厂水泵变频节能改造后的效果进行探讨和分析。

关键词：自来水厂;水泵;变频改造;效果分析

中图分类号：TM921.51            文献标识码：A               DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.14.091

目前，我国中小城市供水系统的自动化配置相对落后，运行中只能依靠调节阀门出口开度的方式来调节流量，以满足管网压力恒定的要求。这不但操作麻烦，而且大量能量浪费在了闸门阻力上，致使水泵机组长期在低效区运行，电能浪费现象十分严重。自来水厂是耗电大户，在制水成本中，电力费用所占比例较大，约占50%左右。水泵机组的耗电量占企业能源消耗的90%以上，而水泵是供水泵站中最主要的耗能设备，水泵机组的合理、高效运行模式对于提高企业能源管理水平、降低运行成本至关重要。因此，对水泵机组采用变频调速代替落后的阀门节流方式，提高水泵机组的电能利用率，是供水企业节能降耗的重要手段。

1  水泵变频调速节能原理分析

1.1  电机和水泵特性分析

根据交流电机工作原理的转速特性可知：

n=60f（1-s）/p.                （1）

式（1）中：n为电机转速;f为电机的电源频率;s为转差率;p为电机的极对数。

由于电机的s和p为定值，所以由（1）式可知电机的转速与电源频率成正比例，通过改变电源频率就可平滑改变电动机的转速，实现变频无极调速。

又根据流体力学的基本定律可知：

Q1/Q2=n1/n2 .               （2）

H1/H2=（n1/n2）2.             （3）

P1/P2=（n1/n2）3.             （4）

式（2）（3）（4）中：Q1，H1，P1分别为水泵在n1转速时的流量、扬程和功率;Q2，H2，P2分别为水泵在n2转速时相似工况条件下的流量、扬程和功率。

由公式（2）（3）（4）可以看出，当要求调节流量下降时，转速n成比例地下降，而此时轴功率P成立方关系地下降，即水泵电机的轴功率与转速近似是立方比的关系。如果通过调速方式改变水泵流量，当水泵流量下降一半时，即n1/n2=1/2，则P1/P2=1/8，可节电87%. 可见，降低转速可大大降低轴功率，这也是变频调速在应用上节能效果十分显著的原因。

1.2  水泵运行特性分析

水泵节能离不开工况点的合理调节，调节方式有以下两种：①管路特性曲线的调节，例如阀门节流;②水泵特性曲线调节，

例如水泵调速。用水泵调速来调节水泵特性曲线的方法在节能方面效果好，是节能的主要方式。而变频调速在改变水泵性能和自动控制方面优势明显。

在流量相同的情况下，变频调速控制避免了阀门节流控制下因压头升高和管阻增大所带来的能量损失。在流量减小时，变频调速控制使压头反而大幅度降低，所以它只需要一个比阀门控制消耗小的来充分利用功率损耗。通过上述变频调速控制流量的方法，可以大大节约电能。

1.3  恒压变频供水系统的工作原理

恒压变频控制系统通过变频器实现水压闭环控制，其测量元件为压力传感器。装在泵出口管路中的压力传感器会将压力信号变化数据传给变频器。根据装置扬程的要求，变频器中存有一个出口压力的设定值（恒压）。当系统用水量增加时，变频水泵出口压力会低于设定值，变频器的频率会逐步增加（一般变化范围为30～50 Hz），同时控制电机速度提高，水泵轴功率增大，水泵的流量增大;当到达所需恒定压力值时，系统处于动态平衡。当管网中压力增大时，变频水泵出口压力会高于设定值，变频器的频率会逐步减小，同时控制电机速度下降，水泵轴功率减小，水泵的流量减小;当到达所需恒定压力值时，系统再次处于动态平衡。系统就根据压力传感器反馈信号不断进行调整，以达到恒压供水的目的。

2  变频改造效果分析

2.1  改造实例

阜新自来水总公司的凌河水源厂和闹得海水源厂于1980年和1983年投入运行，担任着阜新地区80万人口和工矿企业的供水任务，日设计供水能力为2.0×105 t，泵站均采用“一拖三”的运行方式。经过30多年的运行，出现了设备陈旧、耗能高、运行方式落后、管网稳定性差等问题，水泵机组为全天候运行，电能浪费严重，节电潜力较大。鉴于此，为了节约能源、降低成本，保证输水管网的安全可靠运行。2012年对6座泵站中的6台高压水泵机组进行了变频节电技术改造，水泵电机电压等级均为10 kV，容量分别为280～500 kW，总容量2 275 kW。

2.2  节能估算

根据GB 12497有关标准，对水泵电机经济运行设计的规定有如下计算公式。

采用阀门节流时，对应的电机输入功率PL与流量Q的关系为：

PL=[0.45+0.55（Q/QN）2]Pe.     （5）

采用变频调速时，水泵的节电率可按下式估算：

Ki=（PL- PN）/PL=1-{（Q/QN）3/[0.45+0.55（Q/QN）2]}.

（6）

式（5）（6）中：PL为阀门调节时电机输入功率;PN为变频调速时泵的输入功率;Pe为水泵额定流量时电机输入功率;Q为水泵实际流量;QN为额定流量。

由式（6）可知，只要知道实际流量与额定流量的比值，就可估算出节电率。

以1#号水泵机组电机（10 kV/500 kW）为例进行计算：阀门节流方式的调节范围为（0.8～0.9）QN，根据实际运行工况，阀门平均开度取值为85%，即Q=0.85QN，年工作时间h=8 640 h。计算出节电率和年节电量，并根据投资费用计算出投资回收期。

PL=（0.45+0.55×0.852）×500=423.7 kW，则节电率Ki=ΔPi/PL=（423.7-500×0.853）/423.7=27.5%，年节电量=PL×Ki×h=423.7×27.5%×8 640=1 006 711 kW·h.

可见，1#水泵机组经过变频改造后年可节约电量为1 006 711 kW·h，变频调速方式与阀门节流方式相比，节电率为27.5%.依以上公式计算经过变频改造后6台水泵年可节约电量为4 580 500 kW·h，按电费电价0.65元计算，6台水泵节约电费合计为297.7万元。本次改造投资444万元，直接投资回收期为18个月。

2.3  改造效果分析

2.3.1  节能效果显著

从变频改造前后各一年的用电统计结果看，改造后年实际节电量为4.4×106 kW·h，与理论计算值基本相符，每年为企业节约电费支出280万元左右，实际节电效果非常理想。

2.3.2  电机实现软启动

使用变频调速后，变频器的软启动功能使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网、电机水泵和控制系统的启动冲击，延长了电机和阀门的使用寿命。在整个运行范围内，电机保持平稳运行，无异常振动和噪声，改善了工作环境。

2.3.3  提高了系统运行的功率因数

使用变频调速后，由于变频器内部滤波电容的作用，电源侧的功率因数由0.85左右提高到了0.95以上，减少了无功损耗，减少了线损和设备的发热。

2.3.4  降低了设备运行与维护费用

采用变频器后，电机转速降低，减少了电机轴承和水泵叶片的磨损，延长了维护周期和设备运行寿命，降低了维护工作量和检修费用。

2.3.5  增强电机的保护功能

与改造前相比较，变频器具有过流、过载、电压、温升等多项保护功能，能够更好地保护电机。

3  结束语

本次供水系统的变频技术改造达到了节能降耗和提高供水系统稳定性的目的，不但使企业提高了效益，而且为今后的现代化水厂建设打下了基础，也为中小城市供水企业的节能改造作了有益的探索。实践证明，水泵变频调速技术是一项有效的节能降耗技术，不论是在节能效果、设备的投资回收、运行的经济性方面，还是在供水系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面，都具有较大的优势。

参考文献

[1]毛正孝，赵友君.泵与风机[M].北京：中国电力出版社，1999.

[2]韩安荣.通用变频器及应用[M].北京：机械工业出版社，2000.

〔编辑：王霞〕

Analysis on the Effect of Frequency Conversion and Power Saving of Water Pump in Waterworks

Li Huixiang， Zhao Min

Abstract： Energy saving and consumption reduction is an important measure to construct the resource saving society， and it is also the most effective and safe method for enterprise to reduce production cost. Along with the rapid development of power electronic technology and automatic control technology， frequency conversion speed regulation technology in saving energy and reducing consumption， automated production advantages are fully reflected， and the rapid popularization and application， resulting in huge economic benefit and social benefit. This paper briefly introduces energy saving principle of variable frequency speed regulation technology， and discusses the effect of energy saving and energy saving of water pump frequency conversion.

Key words： waterworks; water pump; frequency conversion; effect analysis

文章编号：2095-6835（2015）14-0093-01