水泵變頻運(yùn)行節(jié)能技術(shù)研究

童乃武 上海鐵路局合肥給水公司

水泵變頻運(yùn)行節(jié)能技術(shù)研究

童乃武 上海鐵路局合肥給水公司

水泵在我國工農(nóng)業(yè)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，而水泵效率是衡量水泵工作效能高低的一項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)盡力提高水泵效率，降低其能量損失，特別是電能損失帶來的費(fèi)用投入。對水泵變頻調(diào)速的特性進(jìn)行分析，介紹水泵節(jié)能調(diào)節(jié)主要方式及其變頻調(diào)速原理，探討了影響變頻調(diào)速范圍的因素，并結(jié)合水泵性能曲線方程，推導(dǎo)出水泵變頻的能耗與節(jié)能率計(jì)算公式。

水泵；節(jié)能技術(shù)；變頻調(diào)速；技術(shù)原理；影響因素

節(jié)能減排已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)開發(fā)規(guī)劃的首要內(nèi)容，目前針對幾大節(jié)能領(lǐng)域，如工業(yè)節(jié)能、交通節(jié)能和建筑節(jié)能等均提出了非常嚴(yán)厲的減排方案，其中工業(yè)節(jié)能是重點(diǎn)，而水泵作為是工業(yè)領(lǐng)域的主要機(jī)械設(shè)備被廣泛應(yīng)用，與此同時也成為了主要的能耗來源。水泵的運(yùn)行主要消耗了系統(tǒng)的電能，約占全世界發(fā)電的20%，而其用電則占企業(yè)生產(chǎn)成本的80%。目前我國水泵的運(yùn)行效率普遍較低，國產(chǎn)水泵的運(yùn)行效率普遍比發(fā)達(dá)國家低5%～10%，實(shí)際使用效率則比發(fā)達(dá)國家低10%～30%，這說明要想有效開展節(jié)能減排，泵功率的提升成為需要解決的首要問題。

自80年代末以來，我國引進(jìn)了變頻控制技術(shù)，使水泵的節(jié)電技術(shù)得到快速發(fā)展。隨后，在對進(jìn)口樣機(jī)的性能參數(shù)進(jìn)行全面測量和記錄的基礎(chǔ)上，自主研制開發(fā)出了多個系列的變頻調(diào)速水泵節(jié)能系統(tǒng)。本文對變頻調(diào)速技術(shù)在水泵節(jié)能方面的應(yīng)用進(jìn)行了探討，重點(diǎn)介紹了其技術(shù)原理、影響因素以及相關(guān)計(jì)算方法。

1 水泵變頻調(diào)速節(jié)能原理

水泵的變頻技術(shù)可根據(jù)系統(tǒng)整體的工藝要求，通過對壓力、流量、溫度等系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測，來優(yōu)化電動機(jī)的電源輸入頻率，調(diào)整轉(zhuǎn)速，控制輸入功率，從而實(shí)現(xiàn)“所供即所需”。

變頻調(diào)速技術(shù)是基于非直流馬達(dá)的原理，變頻水泵的耗電功率與其發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速呈正比關(guān)系：

在該公式中，f表示水泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程的電流頻率(Hz)；P表示電機(jī)里的極對數(shù)。通過對馬達(dá)定子的繞組電流頻率進(jìn)行均勻化的改造，就能夠?qū)崿F(xiàn)馬達(dá)同步轉(zhuǎn)速的平滑變動；水泵電機(jī)的軸功率隨馬達(dá)轉(zhuǎn)速的降低而減小，從而導(dǎo)致其輸入電流功率的降低。

2 影響變頻調(diào)速范圍的因素

當(dāng)使用變頻調(diào)速的方法時，按照原工頻狀態(tài)設(shè)計(jì)的泵與電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)變化較大，水泵的調(diào)速范圍也會受管路特性曲線、與調(diào)速泵并列運(yùn)行的定速泵等因素的影響。如果調(diào)速超過既定范圍，就不能夠達(dá)到節(jié)能的目的。因此，變頻調(diào)速一般是減速問題，并且不可無限制調(diào)速，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況經(jīng)計(jì)算確定。其調(diào)速范圍一般大于額定轉(zhuǎn)速的一半，最佳狀態(tài)為75%~100%。

2.1 水泵工藝特點(diǎn)的影響

當(dāng)水泵調(diào)速在高效區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)，處于工頻高效兩端位置時，其處在拋物線的中間區(qū)域OA1A2（圖1）；一旦水泵運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速減小，水泵就不能正常工作，水泵效率也隨之降低為PA1A2。當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況點(diǎn)超出這些區(qū)域,就不適合采用調(diào)速節(jié)能手段，必須考慮其他的辦法來加強(qiáng)調(diào)速作用，完成調(diào)速。如圖所示，H0B為管路特性曲線，CB是水泵調(diào)速運(yùn)行的高效區(qū)間。當(dāng)C點(diǎn)位于曲線OA1上時，C點(diǎn)和A1點(diǎn)的效率相等。那么此時的C點(diǎn)就是在最小轉(zhuǎn)速時水泵性能曲線高效區(qū)的左端點(diǎn)。

圖1 水泵調(diào)速運(yùn)行范圍

2.2 定速泵的影響

在實(shí)際工程中，一般是將多臺水泵并聯(lián)進(jìn)行供水。該供水系統(tǒng)不僅成本高，而且?guī)着_并聯(lián)水泵的運(yùn)行速度也很難進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)節(jié)，所以，往往需要采用調(diào)速泵和定速泵來進(jìn)行混合供水。在該系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，值得注意的是，要使調(diào)速泵和定速泵的運(yùn)行處于高效工作段中。此時，調(diào)速泵的調(diào)速范圍受到定速泵的影響極大，具體分為兩種情況：當(dāng)使用同型號水泵一調(diào)一定并列運(yùn)行時，調(diào)速運(yùn)行的范圍很小；當(dāng)使用不同型號水泵一調(diào)一定并列運(yùn)行時，則可使調(diào)速運(yùn)行的范圍大大增加。

2.3 電機(jī)效率的影響

我們知道，在系統(tǒng)工況一致的條件下，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的降低，其軸功率也會迅速下降，但是如果電機(jī)的輸出功率較其額定功率或者其實(shí)際工作頻率較其工頻差別較大，則會導(dǎo)致電機(jī)的運(yùn)行效率迅速下降，從而影響水泵機(jī)組的總體效率。同時，當(dāng)自冷電機(jī)在低速下長時間持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時，則會導(dǎo)致風(fēng)量的不足，影響電機(jī)散熱性能，進(jìn)而對電機(jī)的運(yùn)行安全造成隱患。

3 水泵的節(jié)能率計(jì)算

3.1 水泵的性能曲線方程

水泵變頻系統(tǒng)的性能曲線，如揚(yáng)程-流量（H-Q）、功率-流量（N-Q）、效率-流量（η-Q）等類似于拋物線狀，其曲線擬合方程形式如下：

式中：Q---水泵轉(zhuǎn)速為n時的流量（m3/h）；

H---水泵轉(zhuǎn)速為n時的揚(yáng)程（m）；

N---水泵轉(zhuǎn)速為n時的輸出功率（kW）；

η---水泵轉(zhuǎn)速為n時的效率（%）；

k---水泵的轉(zhuǎn)速比，k=n/n0。

3.2 水泵能耗計(jì)算

流量、揚(yáng)程、運(yùn)行時間以及水泵系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的效率是影響水泵系統(tǒng)能耗的主要因素。因此，若要降低水泵系統(tǒng)的能耗，則可以采用減小流量、揚(yáng)程，縮短其運(yùn)行時間，或者提升系統(tǒng)各環(huán)節(jié)效率的方法。此外，為了提高變頻調(diào)速水泵運(yùn)行效率，若系統(tǒng)的工況屬于低負(fù)荷段的話，需配置相應(yīng)的低負(fù)荷流量定速泵。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷率較高時，運(yùn)行變頻調(diào)速水泵，當(dāng)系統(tǒng)流量下降到一定程序時，關(guān)閉變頻調(diào)速水泵，啟動小流量的定速泵，這樣更有利于運(yùn)行節(jié)能。

3.2.1 水泵的輸出功率

水泵的輸出功率（即有效功率）是指單位時間內(nèi)從水泵輸出的流體所增加的能量，可用下列公式表示：

式中Ne--水泵輸出功率（kW）；

ρ--液體密度（kg/m3）；

Q--流量（m3/s）；

H--揚(yáng)程（m）；

3.2.2 水泵的軸功率

由于流體通過水泵時會產(chǎn)生一定損失，從而導(dǎo)致電動機(jī)傳送到水泵軸上的輸入功率，即軸功率增加，則水泵的輸入功率可按照下列公式計(jì)算：

式中：N----水泵軸功率（kW）；

η---水泵的效率 (%)。

在水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)中，變頻器的引入是為了調(diào)節(jié)電壓的輸入頻率，以此來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速改變時，變頻器和電機(jī)也有一定的功耗，因此應(yīng)當(dāng)將變頻器和電動機(jī)的效率考慮進(jìn)水泵變頻系統(tǒng)消耗的總能耗中，則該變頻調(diào)速系統(tǒng)的總能耗為：

式中：ηm---電機(jī)的效率；

ηv---變頻器的效率。

采用文獻(xiàn)[13]公式計(jì)算電機(jī)效率ηm和變頻器效率ηv：

3.3 水泵節(jié)能率計(jì)算

設(shè)水泵變頻系統(tǒng)的初始能耗為N1，變頻節(jié)能改造后系統(tǒng)的能耗為N2，則該變頻節(jié)能系統(tǒng)的節(jié)能率為：

式中：λ---水泵變頻系統(tǒng)的節(jié)能率（%）

將式（2）、（4）、（7）~（10）聯(lián)立，得到水泵變頻調(diào)速的能耗計(jì)算公式：

將上述公式中的中間變量消去，得到水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)總能耗的計(jì)算公式，為流量與轉(zhuǎn)速比的函數(shù):

4 結(jié)論

（1）變頻調(diào)速是水泵在滿足正常使用需求前提下的主要節(jié)能方法，其適用條件需根據(jù)用戶需求，經(jīng)計(jì)算后確定。

（2）與調(diào)速泵并列運(yùn)行的定速泵選型是影響水泵變頻調(diào)速范圍的主要因素，調(diào)速與定速泵混合供水能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)。

（3）通過分析變頻調(diào)速的影響因素，結(jié)合水泵性能曲線、變頻器與電動機(jī)效率計(jì)算模型等，推導(dǎo)出了水泵變頻的能耗與節(jié)能率計(jì)算公式。

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責(zé)任編輯：宋 飛

來稿時間：2015-8-20