水泵變速調節技術節能效果分析

劉 琦

(武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢 430072)

水泵是一種常見的流體機械，在采礦冶金、化工、電力、動力工程、城市給排水和農田灌溉等眾多領域都得到了廣泛應用，并發揮著不可替代的作用。具有關資料報道，我國水泵和風機的裝機容量達1.5 億KW，其耗電總量占到了全國總發電量的20%以上。值得一提的是我國泵站水泵的耗能量占到全國發電量的1/10 左右，在“十一五”期間，國家投資97.72 億元和88.95 億元分別對大型排澇泵站和大型灌溉泵站進行了改造更新，每年能夠節省的電能約占大型泵站年總耗電量的25%左右。

由于水泵選型容量選得較大、系統匹配不合理以及普遍采用節流調節對水泵的運行工作點進行調節，我國水泵的實際使用效率普遍要比發達國家低10%－20%，造成嚴重的能源浪費。水泵在調節流量時運用變速調節方式能夠節省大量電能，這對我國節能減排有重要意義。

1 變速調節技術

由于在水泵選型時，需要根據運行過程中可能出現的最大負荷進行選型，然而在實際運行時，水泵不會總是保持在滿負荷運行。因此，水泵運行時，其運行工況并非一成不變，而是隨著外界負荷的變化需要進行相應調節。對水泵運行工況的調節主要有三種方式:(1)只改變水泵本身的性能曲線;(2)只改變管路系統的特性曲線;(3)兩種曲線同時改變。常用的調節方法有節流調節、入口導流器調節、切割調節、旁路調節等。本文主要介紹變速調節和節流調節，并將通過實例計算對這兩種調節方法進行比較。

上圖中，曲線2 為節流調節前的管路特性曲線，曲線1 為節流調節后的管路特性曲線，曲線3 為變速調節前水泵的性能曲線，曲線4 為變速調節后水泵的性能曲線。

節流調節是水泵調節的一種傳統方式，它通過增加管路中的附加節流損失而使水泵的運行工況發生改變，在圖中表現為從A 點變為B 點，流量從Q1 變為Q2。這種調節方式簡單可靠、投資低，但是增加了系統中的阻力，能量損失大，由于節流后運行點會偏離高效區，在中大型水泵中，采用此方法是很不經濟的。

變速調節是通過改變轉速來改變水泵的性能曲線，從而改變水泵的運行工況點。即圖中的A 點變為C 點，流量同樣從Q1 變為Q2。與節流調節相比，變速調節沒有附加的節流損失，在圖中直觀地表現為減少了BC 段揚程。同時，變速調節時，水泵的效率能夠保持不變，因此具有很好的節能效果。

2 實例計算分析

火電廠中水泵是主要的耗能設備，其耗電量占到了廠用電的60%左右，如果能合理運行調節這些設備，提高設備的效率，這將節省大量能源并取得可觀的經濟效益和良好的社會效益。

某火電廠給水泵的性能參數如下表(當轉速n=2980r/min 時)，管路系統特性曲線已在圖中畫出。由于每天各個時段用戶用電需求不同，電廠的負荷也隨之改變。如果現在要求給水泵提供的流量變為200。首先根據表格的數據，在圖中畫出相應曲線，水泵性能曲線與管路特性曲線的交點即為改變流量前水泵的工作點，此時流量為300，揚程為1430m。將水的密度定為1000kg。

2.1 用節流調節改變流量

由于節流調節改變的是管路特性曲線，泵的性能曲線不會改變。當流量為200 時，從水泵特性曲線上讀出揚程為1590m，從圖表中可查出效率為0.63。

2.2 用變速調節改變流量

由于變速調節改變的是泵的性能曲線，而管路系統中不會增加阻力損失，故管路特性曲線不會改變。當流量為200時，從管路特性曲線上讀出揚程為1300m。

因此相似拋物線為:

在圖中繪出相似拋物線，與水泵性能曲線于一點，此點極為相似工況點，它們的效率相等，從圖中查出效率為0.66(相似拋物線上的工作點效率相等)。

2.3 對比分析

采用變速調節比節流調節方式節省的功率為:=301.7KW。

相對節電量為:=22%。

如果此給水泵每天工作20 小時，一年工作300 天，那么一年可節電1810200 度電;如果每度電按0.5 元計算，一年可以節省90.51 萬元。可見節能效果和經濟效益都十分可觀。

3 變速調節的實現

改變轉速的方法主要有以下幾種:(1)通過改變機械裝置的傳動比來改變轉速。裝置需要配置相應的變速齒輪或則皮帶輪，這是一種有級變速調節。(2)對于300MW 以上機組的鍋爐給水泵，由于普遍采用汽輪機驅動，因此可以通過改變汽輪機的進氣量來調速，這種方法是一種無級變速調節。(3)采用液力耦合器進行調速。所謂液力耦合器，它是一種利用流體的動能來傳遞能量的機械，能夠實現無級調速，而且調速范圍較大，比節流調節節省能量。但是這種方法調速精度不高，設備初期投資較大。(4)變極調速。通過改變電機定子的極對數來改變異步電機的轉速，大中型異步電機一般采用雙速電動機進行變極調速。(5)變頻調速。變頻調速是基于電動機轉速與工作電源輸入頻率成正比的原理，采用變頻器改變電動機定子端輸入電源的頻率來改變電動機轉速的調節方法。變頻調速是最理想的調速方案，具有調速效率高，調速精度高的特點，而且可以在較大范圍內實現無級調速，并且可以實現軟起動從而可以減少對設備的機械沖擊和對電網的電流沖擊。隨著科技的進步和工業的發展，變頻設備的價格呈下降趨勢，由于其節能效果顯著，因而在中小型電機調速得到了應用。但是在國內還沒有成熟的高壓大容量變頻設備，這也限制了其應用和推廣。

4 總結

我國正處于經濟高速發展的時期，由于我國人口眾多，人均資源大大低于世界平均水平，能源利用效率低和能源短缺已經成為限制我國經濟發展的重要因素。由于泵類的耗電量占到全國總發電量的1/5，然而水泵在運行過程中普遍存在效率低、運行管理粗放的問題，很大部分水泵仍然采用落后的節流調節技術，造成巨大的能源浪費。在水泵領域推廣變速調節技術能夠顯著減少電能的浪費，這對我國經濟的發展以及和諧社會的建立將起到積極的推動作用。

［1］何川，郭立君.泵與風機(第四版)［M］.北京:中國電力出版社.2008

［2］陳堅，李琪，等.中國泵站工程現狀及“十一五”期間泵站更新改造任務［J］.水利水電科技進展.2008，28(2)

［3］張文鋼，黃劉琦.水泵的節能技術［M］.上海:上海交通大學出版社.2010