變頻調速在水泵節能技術改造中的應用研究

李迎春

1、廣西大學土木建筑工程學院2、廣西電力職業技術學院動力工程系

變頻調速在水泵節能技術改造中的應用研究

李迎春1，2

1、廣西大學土木建筑工程學院2、廣西電力職業技術學院動力工程系

水泵高能耗問題已受到水泵行業的廣泛重視，加快節能技術改造成為工業生產和加工制造業等發展的現實需求，而變頻調速節能技術優勢明顯。本文闡述了水泵變頻調速節能技術改造的基本原理，對節能效果進行了分析比較，并以具體案例分析了水泵變頻調速節能改造的經濟效益，提出了要加強水泵變頻調速技術改造，實現高效節能經濟的目標。

變頻調速；水泵；節能技術改造；應用研究

我國經濟增長速度受資源和能源約束日益突出。目前，我國約20%的電能用于各類水泵驅動，但水泵使用效率低、運行成本高等問題較多，平均效率比國外先進水平低3～5%，整個泵站系統效率則低約20%[1]。水泵正常的節電潛力范圍為20～40%，節能有非常大空間。水泵節能技術有多種，但變頻調速是最重要的手段之一。

1 關于水泵的高能耗問題及節能技術改造

水泵運行高能耗問題是常見技術問題，主要包括以下內容：一是水泵和管道之間不匹配，導致“大馬拉小車”，在這種情況下，水泵在“大流量、低效率、高功耗”工況下運行[2]。二是水泵連接方式及其配置不合理，導致水泵能耗大量增加。三是由于安裝回路中出現水漏滲以及系統回路阻力不平衡導致耗能增加。四是水泵質量問題導致能耗增加等。

從目前來看，水泵節能技術改造包括較多方面：加強水泵的管、維、修，使機泵處于完好狀況，提高自身效率；正確選型，避免水泵效率過低、能源浪費，比如多級水泵采取減級運行、單級揚程過高采取車削葉輪實現；更新水泵選型，解決機泵運行效率和額定效率相差大等問題，以及通過減少管道系統中不必要的彎道、閥門等并定期清污堵漏，根據生產需要選擇最佳并聯方式，離心泵去掉底閥（或逆止閥）運行以提高效率等。但在各種節能技術改造中，變頻調速節能技術優勢最為明顯。

2 水泵變頻調速節能技術改造的基本原理

調速調節是指不改變管網曲線而通過改變水泵轉速實現其性能曲線改變來調節流量，實現節能目的則由風機和水泵自身特點決定。根據比例定律，在相似運行條件下，有：

其中：Q為流量、H為揚程、P為軸功率、n為轉速。

上式可以看出，泵的流量、揚程以及軸功率分別與其轉速、轉速的平方、轉速的立方成正比，因此，轉速降低、流量一般降低，但是功率則大幅度降低[3]。

如圖1，水泵轉速由n1轉為n2(n2=1/2n1)，則其性能曲線轉為（H-Q）*n2、流量為Q2(Q2=l/2Q1)、壓頭為H2、效率為ηC。此時，理論耗能僅僅為額定功率的1/8，節能達到50%。同時，調速調節效率ηC≈ηA，此時，風機水泵仍可實現在高效區工作，這是另一個節能來源[4]。

圖1 水泵節流調節與調速調節耗能比較圖

變頻調速的節能技術改造是水泵節能的主要手段，優點明顯：變頻調速的效率和功率因數高、調速范圍寬、精度高，以及能實現軟起動且能相對減少電網電流沖擊和運行設備的機械沖擊從而延長設備使用壽命。水泵變頻調速一般采用兩種方式：變頻恒壓變流量和變頻變壓變流量供水，前者應用更廣泛，后者技術更為合理、實施難度更大，但代表水泵變頻調速節能技術的發展方向。在實際改造中，需要綜合考慮用戶經濟條件、節能指標和設備運行要求選擇改造方案，比如，液力耦合器調速屬于低效調速方式，投資少、見效快、資金回收周期短等，對于老設備來說更具有明顯節能效益。

3 水泵變頻調速節能效果的計算

根據比例定律，流量百分比一定時，在靜揚程不同的情況下，水泵的轉速、軸功率和節電率均不同，需要進行逐點計算，表1列出了相互之間的關系。

表1 靜揚程和轉速、軸功率與節電率之間的關系（單位：%）

在不同靜揚程下，水泵采用變速調節及出口閥門調節方式時流量比qv/qvn和所消耗的軸功率之比P/Pn的關系曲線相似，且相交于qv/qvn=1這一點（如圖2），可以發現，通常選定的水泵的消耗的軸功率之比一定高于理想選定的水泵消耗的軸功率之比。同時，在不同工況點下，水泵的變頻調速拋物線則相似但不相交（如圖3，注：這里的Hc為額定揚程）。

圖2 水泵系統在不同靜揚程下的軸功率流量特性--轉速調節；出口閥門調節

圖3 不同工況點下的水泵變頻調速拋物線

在實際工程運行中，水泵系統的節電效果，需要根據機組負荷曲線和氣溫變化曲線進行綜合計算得出。

4 水泵變頻調速節能改造的效益分析

在掌握了水泵的客觀運行規律的前提上對其進行變頻調速節能改造，同時需要考慮水泵容量和調速裝置的具體投資額度。通常情況下，容量決定節電量。對于水泵類設備采用變頻調速節能改造的效益，通常采用水泵在不同控制方式下的流量現場運行的負荷變化情況進行計算。

例如上海龍亞泵閥制造有限公司的IS150-125-400型離心泵共三款（如表2），選擇流量200m3/h型水泵分析節能改造效益。

表2 IS型離心泵性能參數表

根據表2可知，其額定流量200m3/h，揚程50m；配備電動機的額定功率45kW，為水泵在閥門調節和轉速調節時的流量。根據水泵運行要求，連續全天24小時運行，設定其中11h運行負荷為90%，13h運行負荷為50%，全年運行300天。

根據演算可知：年節電量Q=Q1+Q2，其中：Q1為90@負荷的節電量，Q2為半負荷的節電量。

按照每度電0.5元的價格計算，則該水泵每年可節約電費E，則：E=0.5*17.77≈8.89（萬元）。

上述證明了變頻調速在水泵節能技術改造中能取得非常顯著的節能效益。

5 結束語

從目前來看，在工業生產和加工制造業中，水泵變頻調速技術改造，能夠充分提高電能的利用效率，能很好地避免低負荷且高功率運行所帶來的能源浪費，從而實現高效節能的目標。同時，根據水泵變頻調速節能改造的效益分析可以知道，在水泵及及其電機等成套設備的投人運行中，全部投資成本能夠在更短的時間內實現回收。

[1]秦宏波,胡壽根.泵系統測試方法的研究及其在系統優化中的應用[J].電機與控制應用,2010,37(07):58～63．

[2]郭歡.水泵變頻節能技術：原理、設計、應用[J].山西煤炭管理干部學院學報,2008(02):172+175.

[3]王瑜瑜,劉少軍.基于變頻技術的水泵節能控制系統的研究[J].現代電子技術,2013(08)：166～167+170.

[4]劉應誠,邵萬珍.風機、水泵調速節能技術問答[J].自控與監側,2005(03):58～61.

李迎春，女，1976年出生，湖南省邵東縣人，碩士，工程師，研究方向：水利工程、動力工程、工程經濟。

資金項目：2014年度廣西教育廳高校科研項目“水泵節能技術在供水工程中的應用研究”（項目編號：YB2014548）。