城市大型污水泵站中交流變頻調速技術的應用與經濟效益分析

摘 要：城市污水泵站在日常運行中起到了至關重要的作用，和人們的日常生活息息相關。它是保證市民以及各行各業正常的生產生活的重要的城市基礎設施。正是這些泵站夜以繼日的工作，才為城市污水的順利排放，提供了可靠的保障。由于污水管網中的水量不均和各種雜志較多，導致泵站水泵機組運行的效率下降，為解決上述問題，同時達到提高效率、節能降耗、降低運行成本的目的，文章就變頻調速技術在東莊污水泵站中的實際應用進行研究。

關鍵詞：變頻技術；污水泵站；水泵

緒論

城市大型污水泵站的運行管理如何做到“安全、可靠、先進、經濟”，是我們多年來一直研究的課題。經過多年的研究和泵站運行管理的實踐，泵站運行管理總體上向著兩大方面發展，其一是采用計算機技術實現泵站自動化控制與管理，泵站自動化控制與管理在泵站的安全與可靠運行上發揮了重要作用。其二是在泵站機泵控制系統中采用高科技技術，實現經濟節能運行，向管理要效益。

在東莊污水泵站使用交流變頻調速技術、電磁流量計以及與計算機控制系統結合，實現了泵站電動控制、流量測量及計算機控制一體化。其中交流變頻調速技術的應用在技術先進、安全可靠、降低能耗等方面均取得了較大成果，并取得了明顯的經濟效益和社會效益。東莊污水泵站在運行管理方面實現了“安全、可靠、先進、經濟”，為今后污水泵站運行管理提供了新的運行模式和經驗。

1 東莊污水泵站介紹

東莊污水泵站位于北京市豐臺區北京南站南側，涼水河北岸.主要負責抽升南二環濱河路污水下游的污水，占地面積4600m2設計抽升能力為Q=3.0m3/s。

東莊污水泵站擔負著泵站上游大約1024公頃面積內的污水抽升任務。由于泵站設計沒有溢流口，因此對泵站正常抽升運行要求較高，必須保證泵站在不同情況下的正常運行，保證泵站上游服務區不發生淹泡事故，保證服務區內人民的正常生活和生產。

由于泵站運行要求較高，我們在系統設計上采用交流變頻調速技術對交流異步電動機進行調速運行，利用變頻調速器具有的優良的速度控制和轉矩控制特性，使泵站機電設備運行在較佳的狀態下，從而保證了泵站安全可靠的運行。

2 交流變頻調速技術應用于東莊污水泵站水泵的調速運行

在工業生產、交通運輸及日常生活中采用交流異步電動機與變頻器相結合的交流調速在國外已經極為廣泛，在國內也開始推廣。變頻調速是交流電動機調速的發展趨勢。用變頻器對交流異步電動機進行調速非常簡單，只要將變頻器接在電源饋線與交流異步電動機之間就構成一套交流變頻調速系統。

變頻器操作簡單，易于控制，而且又能實現軟啟動，不僅消除了因直接起動存在的對電動機及設備的機械沖擊，而且也消除了對電網的沖擊，還可以因此降低供電變壓器的容量，所以交流變頻調速器具有良好的使用價值。

2.1 電氣系統控制原理

泵站配電系統由兩路供電系統組成，兩路供電系統一備一用，雙路電源保證泵站抽升供電。

電氣系統圖中每三臺水泵由一臺交流變頻調速器控制運行，并通過變頻/工頻切換達到用一臺交流變頻調速器控制三臺水泵的目的。工作原理如下：

根據泵站集水池水位達到設定開泵液位位置時，交流變頻調速器控制回路中的交流接觸器閉合，由交流變頻調速器控制起動一臺水泵變頻運行。當泵站來水量增加，交流變頻調速器輸出頻率根據單回路調節器的輸出進行調節，提高水泵運轉速度，增大水泵抽升量。當泵站來水量增加使得這臺水泵運轉速度由交流變頻調速器控制達到工頻運轉速度時，交流變頻調速器的控制器將水泵切換到工頻運行狀態，交流變頻調速器控制回路中的交流接觸器斷開，工頻回路中的交流接觸器閉合。當泵站來水量繼續增加，集水池水位繼續上升到開第二臺水泵液位時，交流變頻調速器控制起動第二臺水泵變頻運行，以此類推。

當泵站來水量降低，不能滿足兩臺水泵運行時，交流變頻調速器的控制器首先將工頻運轉的水泵交流接觸器斷開，工頻運轉的水泵停泵。另一臺變頻運行的水泵繼續運行。以此類推進行水泵調節運行，滿足泵站抽升運行。

按照一般的設計，每臺水泵由一臺交流變頻調速器控制進行調速運行，系統控制可靠性很高，但是投資較大。本系統采用一臺交流變頻調速器控制三臺水泵運行的方案，在電氣系統控制上構成兩套閉環控制系統，同時采用先進的變頻/工頻切換技術，從而實現了用一臺交流變頻調速器控制三臺水泵運行，保證了泵站的安全可靠運行，節省了大量的初期投資，又滿足了泵站整體運行的需要。本套系統在泵站設計應用上具有較高的推廣使用價值。

2.2 恒定（集水池）液位閉環控制

在泵站系統運行中，通過超聲波液位計檢測的泵站集水池液位L1與控制系統給定的液位L0比較，將其差值信號經單回路調節器輸出作為變頻調速器的速度給定信號V1。當來水量增大，液位L1上升，甚至超過L0給定液位。這時速度給定信號V1為正值，促使變頻調速器輸出頻率f1上升，水泵電機轉速n提高，水泵排水量增大。經過一段時間抽升后，液位L1下降回到L0給定液位，直到泵站來水與排水達到動態平衡。反之，當來水量減少時，液位L1減少，促使速度給定信號V1變為負值，此時變頻調速器輸出頻率f1下降，水泵電機轉速n降低，水泵排水量減少，又使液位L1上升回到L0給定液位，使泵站來水與排水又達到動態平衡。從而實現了“恒定（集水池）液位閉環控制”，使污水泵以無級調速方式完成污水泵站抽升任務。

通過交流變頻調速器控制水泵運行實現“恒定（集水池）液位閉環控制”，這樣可以使集水池液位保持在較高的液位上，減小水泵的吸水揚程，提高水泵效率，達到節能的目的。

在沒有采用交流變頻調速控制系統的泵站中，設計上采用大泵和小泵相結合的方式，泵站運行中根據泵站上游來水量的大小，通過開大泵和小泵進行調節，調節形式為階梯式調節，調節波動大，無法保證水泵工作在最佳工況下，與變頻調速系統相比具有很大差別。

3 泵站應用交流變頻調速器調速運行的主要優點

（1）通過交流變頻調速器實現泵站水泵無級調速運行完成城市污水大幅度波動的調節抽升任務，達到節約電能的目的。

目前我市設計和運行的污水泵站，大多采用大泵與小泵相結合的設計方案，根據泵站上游來水量的情況，通過改變開泵臺數和開泵的大小來調節泵站抽水量。這種運行方式的不足主要體現在集水池液位變化大，不能保持集水池液位總處在一個理想的高水位，達到節能運行的目的。往往抽升水位較低造成水泵運行耗能加大。因此通過交流變頻調速器實現泵站水泵無級調速運行，可以始終保持水泵工作在最佳工況下，保持高水位抽升，提高水泵效率，降低單位耗電，達到節約電能的目的。

（2）通過交流變頻調速器實現電動機的“軟啟動”，既電機起動時起動電流由0值逐步上升到電機負載電流值。此項功能是交流變頻調速器具有的一種功能。

交流變頻調速器具有的優良的速度控制和轉矩控制特性，保證了電動機良好的起動性能，實現了電動機的軟起功。交流變頻調速器軟起動功能的優點如下：

電動機在直接起動時起動電流很大，起動電流約為額定電流的5～7倍。電動機在“軟起動”時起動電流由0值逐步上升到電機負載電流值，有效地限制了電動機起動時的起動電流，相對延長了電動機的使用壽命。同時，起動電流小，延長了接觸器的壽命，元器件損壞的可能性減少，提高了設備的穩定性。小的起動電流使變壓器減少了電流沖擊，提高了變壓器的使用效率，避免了電動機起動對電網的沖擊，減少了電網的波動，提高了電網的質量。

（3）采用變頻調速器后，電動機運行特性較好，電動機運行轉速降低，使電動機軸承、水泵軸承等部件不易磨損，由于變頻器功能強大，可靠性高，使得機械故障、電器故障減少，設備壽命延長，從而大大地減少了設備維修工作量和費用。

4 交流變頻調速器在東莊泵站運行過程中的經濟效益分析

水泵電動機的電功率與電機轉速的關系式及水泵流量與電機轉速的關系式：

（1）電動機的電功率與轉速的關系式

p=（n/ne）3pe （千瓦） （1）

式中：p-電機消耗電功率（千瓦）；pe-電機額定電功率（千瓦）；n-電機運行轉速（轉/分）；ne-電機額定轉速（轉/分）。

從上述公式分析ne、pe為恒定值，電動機的電功率隨著電機轉速n的降低而降低，交流變頻調速器通過調節水泵轉速來實現污水抽升調節。因此可以使水泵長期在低于額定轉速下運行，降低電機消耗的電功率，達到節省電能的目的。東莊污水泵站經過兩年的運行，絕大部分時間水泵是在低于額定轉速下運行，因此交流變頻調速器的應用具有較大的節能效益。

例如：當電機轉速下降10%，即n=0.9ne（轉/分）時，則對應電動機功率p=（0.9）3pe=0.73pe（千瓦），既電機功率降低了27%。

（2）水泵流量與電機轉速的關系式

Q=（n/ne）2Qe（千瓦） （2）

式中：Q-水泵流量（千噸/小時）；Qe-水泵額定流量（千噸/小時）；n-電機運行轉速（轉/分）；ne-電機額定轉速（轉/分）

從公式（2）分析，ne、Qe為恒定值，因此水泵流量隨著電機轉速n 的降低而降低，交流變頻調速器通過調節水泵的轉速來實現污水抽升量的調節。

（3）水泵運轉時單位耗電的計算

單耗=P/Q （度/千噸）

代入（1）式和（2）式

單耗=P/Q

=（n/ne）3pe/（n/ne）2Qe

=（n/ne）×（pe/Qe）

=（pe/Qe ne）n

東莊泵站水泵參數：pe=95千瓦 Qe=2.7千噸/小時

ne=580轉/分

代入上式：單耗={95/（2.7×580）}×n=0.06n（度/千噸） （3）

上面（3）式為單耗與轉速n的關系式。

（4）東莊泵站運行中實際測量數據表（見表1）

表1數據表明當電機轉速降低時，電機功率、流量和單位耗電均下降。從單位耗電下降可以計算出水泵在低速運轉時的節電效果。

（5）各項參數下降百分比（見表2）

說明：各項參數均與電機額定轉速580（轉/分）時的參數進行比較。

表2數據表明隨著電機轉速的不斷下降，電機抽升運行的單位耗電下降百分比逐漸加大，當電機轉速下降22.41%時，單位耗電下降了約15%。既當電機運行在450（轉/分）轉速時，要比電機運行在額定轉速580（轉/分）時節電15%。

（6）不同轉速時單位耗電理論計算數據與實際測量數據對比（見表3）：

表3數據對比顯示理論計算值與實際測量值基本相符，轉速較低時二者基本相等。

（7）東莊泵站應用交流變頻調速器控制水泵運行的節電效果計算如下：

根據表1，當轉速從580（轉/分）下降到450（轉/分）時，單位耗電下降為：31.97-27.17=4.8（度/千噸）

水泵在450（轉/分）轉速下運行比水泵在580（轉/分）轉速下運行時每抽升1千噸污水可節約電能：

4.8（度/千噸）×1千噸=4.8度

以東莊泵站年抽升水量2萬千噸計算，其中大約1.5萬千噸的水量是在水泵以450（轉/分）轉速運轉抽升的，則每年可節約電量：

4.8（度/千噸）×15000千噸=72000度

折合電：72000度×0.6（元）=43200元。

式中電費按每度電0.6（元）計算

上述計算表明：以東莊目前運行情況分析，每年節約電費支出約4.32萬元，其經濟效益是當明顯的。

5 結束語

通過上述分析，東莊污水泵站應用交流變頻調速器技術對泵站機泵實施變頻調速控制運行具有較大的節約電能的效果，同時由于電動機的軟起動功能和電機水泵的低速運轉減少了泵站運行維護費用，降低了泵站變壓器容量，減少了初期投資，創造了較大的經濟效益。泵站采用交流變頻調速技術所取得的經驗為今后城市大中型污水泵站的抽升運行提供了可靠的依據，也為城市大中型污水泵站運行提供了新的運行模式。由于實現了“恒定（集水池）液位閉環控制”，水泵始終工作在最佳工況下，做到了泵站“安全、可靠、先進、經濟”運行，由此產生的社會效益也是較大的，通過泵站兩年多的運行充分證明了這一點。東莊泵站安全可靠運行保證了上游服務區域內人民的正常生活和生產。因此交流變頻調速技術在城市污水泵站中的應用具有較大的推廣使用價值。

參考文獻

[1]機械工程手冊電機工程編輯委員.電工程機手冊（第二版：電機卷）[M].北京：機械工業出版社，1996.

[2]關醒凡.現代泵技術手冊[M].北京：宇航出版社，1995.

作者簡介：段俊嶺（1979，12-），漢族，工程師。