淺談清水泵站變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)原理

林彩榮

（廈門水務(wù)中環(huán)制水有限公司，福建 廈門 361000）

自來水廠的清水泵站（二級(jí)泵站）是自來水生產(chǎn)過程中能源消耗的重點(diǎn)部位之一。長(zhǎng)久以來，水泵一直延用定速的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)供水管網(wǎng)中的負(fù)荷變化常通過調(diào)節(jié)閥門來實(shí)現(xiàn)，這種運(yùn)轉(zhuǎn)方式使得清水泵的能耗高，運(yùn)行成本大。本文從水泵的運(yùn)行工況分析，來闡述能耗高的原因及采用變頻調(diào)速的節(jié)能原理，提倡清水泵站應(yīng)全面使用變頻調(diào)速技術(shù)。

1 水泵定速運(yùn)轉(zhuǎn)能耗分析

有人認(rèn)為，清水泵站能耗高，主要是因?yàn)槭褂瞄y門節(jié)流調(diào)節(jié)流量造成的。那么有些清水泵站運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，基本上就沒有使用閥門節(jié)流調(diào)節(jié)流量，難道這些泵站就不會(huì)耗電了嗎？事實(shí)上，水泵裝置以定速運(yùn)轉(zhuǎn)，即使沒有使用閥門節(jié)流調(diào)節(jié)流量，但是只要水泵裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的實(shí)際工況點(diǎn)偏離了設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，就會(huì)產(chǎn)生能量的浪費(fèi)。

為了簡(jiǎn)化敘述，下面我們將以單臺(tái)水泵裝置為例進(jìn)行能耗分析。清水泵站一般都是以多臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)的，對(duì)此可以按等揚(yáng)程條件下，流量疊加的方法，繪出二臺(tái)或二臺(tái)以上水泵并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的Q-H（n0）特性曲線，并將其假想成是一臺(tái)大型的新泵。經(jīng)過這樣的處理后，就可按以下的方法進(jìn)行分析了。

某清水泵站使用的離心式水泵裝置的性能曲線，如圖1所示，曲線Ⅰ是水泵在額定轉(zhuǎn)速（n0）下的Q-H（n0）性能曲線，它表明水泵供出的能量隨著流量的增加而降低。曲線Ⅱ是按管路系統(tǒng)的Q-H關(guān)系式H=H凈+SQ2繪制的管路性能曲線，它表明管路系統(tǒng)需要的能量隨著流量的增加而上升。曲線Ⅰ和曲線Ⅱ相交于A點(diǎn)（QA、HA），A點(diǎn)是按管網(wǎng)最高日，最大時(shí)的設(shè)計(jì)秒流量計(jì)算出的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。水平點(diǎn)劃線PL是以HA為基準(zhǔn)設(shè)定的出站水壓控制下限。水平點(diǎn)劃線PH是為了防止管網(wǎng)水壓超過管路的設(shè)計(jì)工作壓力而設(shè)定的出站水壓控制上限。

假設(shè)某時(shí)刻管網(wǎng)的用水量由QA減少為QB，那么水泵裝置的實(shí)際工況點(diǎn)將隨之發(fā)生改變。過QB作垂線與曲線Ⅰ和曲線Ⅱ分別相交于B和B′，如圖1所示，從圖上看出，當(dāng)流量由QA減少為QB時(shí)，水泵供出的能量由HA升到了HB，升高了△HB1=HB-HA。而管路系統(tǒng)需要的能量則由HA降到了 HB′，降低了△HB2=HA-HB′。水泵供出的能量為HB，而管路系統(tǒng)需要的能量只有HB′，水泵裝置的能量處于供大于需的狀態(tài)，供需差距為△HB=HB-HB′=△HB1+△HB2。此狀況表明，水泵裝置的能量供需關(guān)系是失衡的，需要進(jìn)行調(diào)整。

圖1

水泵是以定速成運(yùn)轉(zhuǎn)的，所以供出的能量將不能改變，曲線Ⅰ的形態(tài)也保持不變，在這種情況下需調(diào)整能量供需關(guān)系，只能改變管路系統(tǒng)對(duì)能量的需求了。在供大于需的情況下，這無疑擴(kuò)大了管路系統(tǒng)的能耗，這也正是水泵定速運(yùn)轉(zhuǎn)能耗高的關(guān)鍵。

由關(guān)系式H=H凈+SQ2可知，管路系統(tǒng)對(duì)能量的需求由二部分組成，一是用來克服管路系統(tǒng)中各種阻力所需要的能量。對(duì)于特定的泵站，管路阻力參數(shù)S是一定值。但是通過改變管路上的閥門的開啟度，S值將隨之改變。二是用來克服地形高差和保持管網(wǎng)中必要的水壓所需要的能量（H凈）。由此可知，如果在H凈的基礎(chǔ)上，管網(wǎng)再增加一定的水壓，那么管網(wǎng)就會(huì)產(chǎn)生過剩水壓，管路系統(tǒng)需要的能量自然就會(huì)增加，曲線Ⅱ隨之向上移動(dòng)。

據(jù)此，以 H=（H凈+△HB）+SQ2式，代入不同的流量進(jìn)行計(jì)算，把計(jì)算結(jié)果標(biāo)注在圖1上，再用平滑的曲線將各點(diǎn)連接起來，就得到一條上移的管路性能曲線，如圖中曲線Ⅲ。從圖中看到B′隨同曲線Ⅲ向上移動(dòng)了△HB的高度，最終在B點(diǎn)與B重合。水泵裝置的能量供需關(guān)系最終在B點(diǎn)達(dá)到了新的平衡，實(shí)際工況點(diǎn)也就移到了B點(diǎn)。

由此可見，管網(wǎng)的用水量由QA減少為QB，水泵裝置的實(shí)際工況點(diǎn)則從A點(diǎn)移到了B點(diǎn)，整個(gè)過程并沒有使用閥門節(jié)流調(diào)節(jié)流量，完全是由水泵自動(dòng)完成的。可是管路系統(tǒng)消耗的能量卻增加了△HB。增加的這部分能量被轉(zhuǎn)變成了管網(wǎng)中的過剩水壓，最終被浪費(fèi)掉了，這種浪費(fèi)容易被人們忽視。

假設(shè)某時(shí)刻管網(wǎng)的用水量由QB進(jìn)一步減少到QC，同理，過QC作垂線分別與曲線Ⅰ和曲線Ⅲ相交于C和C′，見圖1，水泵裝置的能量供需差距為△HC=HC-HC′，需要進(jìn)行調(diào)整。

為了使水泵裝置的能量供需關(guān)系達(dá)到新的平衡，需繼續(xù)提高管網(wǎng)中的過剩水壓，以擴(kuò)大管路系統(tǒng)對(duì)能量的需求，使曲線Ⅲ再向上移動(dòng)。但是當(dāng)移動(dòng)到曲線Ⅳ的位置時(shí)，與出站水壓控制上限PH相遇。如圖中D點(diǎn)，此狀態(tài)表示管網(wǎng)的水壓已達(dá)到設(shè)計(jì)工作壓力，不能再升高了。可是，此刻水泵裝置的能量供需關(guān)系仍未達(dá)到平衡，還需要繼續(xù)調(diào)整。

這時(shí)只有關(guān)小水泵出口側(cè)管路上的閥門的開啟度，以增大閥門的局部阻力，（即采用通常所說的用閥門節(jié)流調(diào)節(jié)流量的方法）改變管路阻力參數(shù)S，迫使管路系統(tǒng)的性能曲線的曲率增加，形態(tài)變徒，如圖中曲線Ⅴ。最終C′在C點(diǎn)與C重合，水泵裝置的實(shí)際工況點(diǎn)又移到了C點(diǎn)。

通過調(diào)整，管路系統(tǒng)消耗的能量增加了△HC=HC-HC′其中有△HC1的能量被轉(zhuǎn)變成了管網(wǎng)中的過剩水壓，有△HC2的能量是被閥門直接消耗掉了。

由圖可以看出，當(dāng)管網(wǎng)的用水量在QA～QD區(qū)間波動(dòng)時(shí)，被浪費(fèi)掉的能量基本上都轉(zhuǎn)變成了管網(wǎng)中的過剩水壓。只有當(dāng)用水量小于QD時(shí)，被浪費(fèi)掉的能量才有一部分轉(zhuǎn)變成了管網(wǎng)的過剩水壓，而另一部分則被閥門直接消耗掉了。

從以上分析可知，水泵裝置以定速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，只要管網(wǎng)的用水量小于最高日、最大時(shí)設(shè)計(jì)秒流量，水泵裝置的實(shí)際工況點(diǎn)就會(huì)偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，由此就會(huì)造成能量的浪費(fèi)。水量波動(dòng)的幅度越大，能量浪費(fèi)的就越多。

2 水泵調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)能耗分析

水泵改變轉(zhuǎn)速可以節(jié)能的理論依據(jù)是水泵的比例率：

式中，Q（Q′）、H（H′）、N（N′）分別是水泵的轉(zhuǎn)速為n（n′）時(shí)的流量、揚(yáng)程和軸功率。

以上三式反映出同一臺(tái)水泵的轉(zhuǎn)速改變后，其主要性能參數(shù)的變化規(guī)律。

由此可知，如果水泵裝置的轉(zhuǎn)速可以改變的話，就等于可以改變其能量供需調(diào)整的方法了。我們知道，水泵定速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在進(jìn)行能量供需調(diào)整過程中，表現(xiàn)出的特點(diǎn)是：以供定需。就是以水泵供出的能量作基準(zhǔn)，用擴(kuò)大管路系統(tǒng)對(duì)能量需求的辦法，來達(dá)到水泵裝置能量的供需平衡，因此能量浪費(fèi)嚴(yán)重。如果水泵可以調(diào)速，那么供出的能量就可以改變，在進(jìn)行能量供需調(diào)整時(shí)，就可以管路系統(tǒng)對(duì)能量的需求作為基準(zhǔn)，從改變水泵的轉(zhuǎn)速入手，以改變水泵供出的能量，從而使水泵裝置能量供需達(dá)到平衡。概括地說，就是按需供給，這樣自然不會(huì)再造成能量浪費(fèi)了。仍以某清水泵站為例，泵站使用的水泵，管路等設(shè)備的規(guī)格、型號(hào)及相關(guān)的技術(shù)參數(shù)均保持不變，不同的僅是水泵的轉(zhuǎn)速是連續(xù)可調(diào)的。相關(guān)曲線見圖2。

假設(shè)某時(shí)刻管網(wǎng)的用水量同樣由QA減少到了QB。同理，過QB作垂線與曲線Ⅰ和曲線Ⅱ分別相交于B和B′。此刻水泵供出的能量為HB，管路系統(tǒng)需要的能量為HB′，水泵裝置能量供需之間相差△HB=HB-HB′。如圖2所示，此狀態(tài)表示由于管網(wǎng)用水量發(fā)生變化，導(dǎo)致水泵裝置能量供需關(guān)系出現(xiàn)了不平衡，需要進(jìn)行調(diào)整。

圖2

我們先把水泵的轉(zhuǎn)速由額定轉(zhuǎn)速n降低到n′，再在曲線Ⅰ上任取幾點(diǎn)，然后把各點(diǎn)的流量、揚(yáng)程分別代入公式①、②，計(jì)算出對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的Q′、H′。最后把計(jì)算結(jié)果標(biāo)注在圖2上，并用平滑的曲線連接各點(diǎn)，就得到一條下移的轉(zhuǎn)速為n′的 Q-H（n′）水泵性能曲線，如圖中曲線Ⅲ。B點(diǎn)隨著曲線的下移，最終在B′點(diǎn)與B′重合，表明水泵裝置的能量供需在B′重新達(dá)到平衡，其實(shí)際工況點(diǎn)已經(jīng)移到了B′點(diǎn)。

由分析可知，水泵裝置以調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，管網(wǎng)的用水量由QA減少到QB，水泵裝置的工況點(diǎn)則由A移到了B′。由此水泵供出的能量降低了△HB，水泵裝置的能耗得以降低。節(jié)約下來的能量正好等于在定速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)被浪費(fèi)掉的能量。可以這么說，水泵裝置如果改為調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)，那么在定速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)被浪費(fèi)掉的能量就能夠節(jié)省下來，而且被浪費(fèi)的越多，節(jié)能的潛力越大。

3 應(yīng)在清水泵站全面推廣使用水泵變頻調(diào)速技術(shù)

清水泵站是企業(yè)節(jié)能工作的重點(diǎn)，與原水、污水等泵站相比，清水泵站的流量變化幅度更大，具有更大的節(jié)能潛力。我們知道，清水泵站的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)是按管網(wǎng)最高日，最大時(shí)設(shè)計(jì)秒流量計(jì)算的。在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，管網(wǎng)用水量基本上都小于設(shè)計(jì)秒流量。可以說一年有8760個(gè)小時(shí)，如果清水泵站延用定速的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，那么就有8759個(gè)小時(shí)會(huì)偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。每年冬夏，每天的日夜，管網(wǎng)的用水量都會(huì)出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)。這些都是造成能量浪費(fèi)的重要因素，也是決定清水泵站應(yīng)加快節(jié)能工作、率先使用變頻調(diào)速技術(shù)的重要因素。

清水泵站要保證節(jié)能效果，就離不開性能優(yōu)良的調(diào)速裝置。交流變頻調(diào)速裝置具有調(diào)速范圍寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)，還具有閉環(huán)控制和PID人工智能調(diào)節(jié)工能，可以根據(jù)流量的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，能有效地保證節(jié)能效果，但是價(jià)格昂貴則是它的最大的弱點(diǎn)。這在一定程度上限制了它的推廣使用。節(jié)能即是一項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)工作，也是一種社會(huì)責(zé)任，為了提高企業(yè)節(jié)能工作水平，應(yīng)集中有限的資金，突破節(jié)能工作的重點(diǎn)，才能使企業(yè)的節(jié)能工作有一個(gè)跨越式的發(fā)展。

[1] 泵站節(jié)能技術(shù)[M].北京:水利電力出版社.

[2] 山厚生.交流變頻調(diào)速的節(jié)能效果及估算電氣傳動(dòng)，2008.