供水泵站节能运行方式的研究

孔淑芹 路文梅 苏永军 刘风华 易宝龙

【摘要】文中以引大入港输水工程的供水泵站变频改造运行为例，阐述了泵站采用变频调速控制运行的优点和效果，并对泵站在不同的运行方式下的实际数据进行分析，提出了该泵站的最佳运行方案，同时对泵站的设计运行提出了建议。

【关键词】变频调速；泵站；控制系统；节能

前言

对于大多数采用供水企业来说，传统供水机泵存在日常运行、维护费用高，单位供水的能耗偏大的问题，寻求供水与能耗之间的最佳性价比，是供水企业一直探究的问题。变频调速控制技术是一项集现代化先进电力电子技术和计算机技术及控制技术于一体的高效节能技术，近年来，国内许多泵站水厂采取了变频调速的节能降耗措，收到了良好的节能效果。文中介绍了引大入港（引大浪淀的水到黄骅港）输水工程的基本情况，阐述了采用变频控制运行方式的优点和效果，并对供水泵站在不同的变频控制运行方式下进行试验，探究变频控制运行的最佳方案，同时对泵站设计及运行提出建议。该项研究对其他泵站的设计运行具有一定的参考价值。

1、引大入港供水泵站的基本情况

引大入港输水工程主要包括：供水泵站、油田站、黄骅站、港口泵站等。引大入港各泵站设计投运年限不同，机组的控制运行方式不同。其中供水泵站在2004年设计投运，有6台卧式离心水泵电动机组，电机功率185kW，正常情况下，系统设计运行方式为运行4台机组，2台备用。

泵站在设计时装机一般由最不利条件下、最大时流量和所需相应扬程决定，并考虑今后一定时期的发展。但是实际运行时会有多种工况，泵站供水对象用水量不均匀，泵站每天只有很短时间能达到最大流量，大多数时间都处在小流量下工作。水泵大多数时间在设计效率以下运行，导致电动机与水泵之间常是在低效区运行。流量变化影响管网水头损失变化，在几何扬程很小的情况下，送水泵站出口所需压力随流量变化更显著。引大入港输水工程的供水泵站在最初设计时没有采用变频调速控制，为适应流量的变化，泵站运行中采取人工调节出口阀门控制流量。该种控制方式，难以精确控制流量，系统效率低；当流量降低、阀位开度减小时，阀门前后压差增加，阻力增大，能耗增加；阀门长期处于40%～70%开度运行，加速阀体自身磨损，导致阀门控制特性变差；阀门调节不当时还会增加管网水锤压力，降低了工作安全特性；过高的管网压力威胁设备的密封性能，造成管网、阀门泄漏；水泵及阀门系统的使用寿命变短，日常维护量大，维修成本较高。

2、供水泵站变频调速运行的优点和效果

为解决传统控制运行方式带来的问题，对引大入港输水工程的供水泵站进行了变频控制改造，运行方式是4台运行，2台备用，采用6台变频器一对一控制方式。变频调速技术其实质就是通过在相应的管网压力传感信号输入的状态下 ，通过自动调节变频器的输出频率 ，达到改变泵站水泵电机转速以及供水量的目的 ，进而在满足对于水压以及用水量要求的前提下 ，降低单位供水量的能耗。通过几年的运行泵站变频恒压供水的技术优势和效果较为显著，主要表现在以下几方面。

有效地节约泵站机组设备运行的能耗。根据泵与风机学的相似定律，水泵系统采用变频调节时，直接通过改变水泵电机频率改变电动机转速，以满足不同运行工况的需求，通过变频调速控制，水泵的工作状态是随着用户用水量以及用水压力的变化自动的调节转速 ，水泵也是一直处于变频的工作状态。 变频系统运行时，泵站出口压力维持不变。给定出口压力为Hg时，当流量 Q 变动时，因转速变化导致扬程流量特性H1～Q 上下移动，泵工作点在 H=Hg线上作水平移动。通过特性曲线可以清楚地看出水泵消耗轴功率的变化，即采用变频调速保证压力恒定与流量需求。此时电机消耗的能量随电机转速立方的关系下降，设备运转期间的电能消耗也随之降低，变频调速节电效果非常显著。因而相比传统的恒速水泵而言，降低泵站运行时的耗电量。

根据水泵相似类关系式，P/P0=（ N/N0）3计算， 式中为 P0额定转速 N0时的功率； P 为转速 N 时的功率。 以一台水泵使用的 185 k W 电机为例，假设机组24 h 连续运行， 并且每天运行在90%负荷（ 频率按 40 Hz 计算， 阀门调节时功耗按98%计算）， 全年运行时间 300 天，则采用工频运行阀门调节时每年的耗电量为：

W1=185×98%×24×300=1 305 360 kW·h

变频调速运行时每年的耗电量为：

W2=185×（ 40/50）3×24×300=681 984 kW·h

变频调速运行较传统运行方式减少电能消耗：

W=W1- W2=1 305 360 -681 984=623 376 kW·h

每 1kWh 电按 0.5元计算， 则采用变频调速每年可节电费311 688元。引大入港输水工程所有泵站采用变频控制方式后，每年节省了大量的电费。

2）泵站采取变频调速控制提高了泵站的运行效率。通过变频调速系统，在用水量或者是水压发生变化的情况下，通过计算机对这些变化进行自动的检测，并按照检测信息调整泵站水泵机组的工作状况，进而确保泵站水泵处于高效的运行状态。

3）变频调速控制系统减小了对供水设备的损坏，降低了维修费用。由于变频调速属于无级调速方式，能够实现水泵的軟启动，机泵的启动电流及启动能耗大幅降低，从而避免了起动时对电网的冲击，并且能提高功率因数， 减小电源设备容量。泵站水泵启停的自动化控制，无需值班人员进行人工的操作，不仅可以避免操作失误问题的发生，而且由于变频器的启停较为平稳 ，避免对于管网造成冲击及运行磨损，此外由于采取变频调速控制管理，能够避免水泵在切换时出现的震荡现象，对于延长泵站机组设备使用寿命。采用变频调速控制系统后降低了设备的运行维护费用。

4）简化了操作，数据读取更方便。通过对泵站进行变频技术改造之后，对于泵站运行过程中的各种参数例如泵站电机的运行频率、电流、电压、变频器输入以及输出端的电压电流、泵站管网水压、流量等一系列的参数，都可以通过数字化的显示屏直观的了解，方便了对于泵站供水系统运行的观察和控制。

3、不同运行方式下运行数据及分析

引大入港输水工程的供水泵站，设计装机6台，运行方式是4台运行，2台备用，采用6台变频器，一对一控制方式。为了能充分发挥变频装置的作用又能最大程度的降低能耗，结合泵站的实际情况进行了不同运行方式的试验，目的是找出该泵站节能运行的最佳的运行方式。

不同运行方式下的试验。为了对比不同运行方式下的试验数据，在每天相同时段，供水流量、水压基本不变的情况下进行试验。运行方式包括：4台泵变频运行，2台泵备用；5台泵变频运行，1台泵备用；6台泵变频运行。試验数据列于表1中。

从表1中可见，在管网压力相同，流量基本相同的情况下3种运行方式中，采用6台泵变频运行时节能效果最明显，运行费用最低。假设年均运行时间按300 天，电价 0.5 元/k Wh 计算，日平均日供水量 68400t，年可节约电费近17.9万元，平均日供水量，采用相同的运行方式时，随着用水量的增加耗电量在增加。从近两年的运行情况看，该供水泵站在通常的供水流量下，6台机组全部变频运行的方式耗电量最低；6台机组运行设备的维修概率反而比原设计4台机组运行方式时要少。可见，该泵站采用6台机组全部调频运行节能效果最好。

4、对泵站设计及运行的建议

1）设计时合理选择机泵设备，提高泵机组效率。可采用考虑泵站年运行时间扬程密度与包络线法相结合的方法、等扬程加大流量法进行水泵机组选型，可以节省泵站运行费用。应及时更换淘汰设备，降低运行维护成本。

2）设计时要考虑变频设备利用率最大化与远期变频应用。对单台变频器控制单台电机、单台变频器控制多台电机、变频运行和工频运行相结合等运行方案进行技术经济比较，提出较优化的方案。从经济角度考虑，变频器拖的电机较多，

控制系统就会越复杂，成本也会较高一些。从国内目前成熟的变频器上考虑，采用1拖2方式的低压变频器成本较低，技术也较成熟。

3）运行单位要根据泵站的实际情况，积极通过现场试验确定在一定供水条件下的条件下的最佳运行方式，既能充分发挥变频装置的作用又能最大程度的降级能耗。

参考文献：

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