摘 要：城市污水泵站在日常運(yùn)行中起到了至關(guān)重要的作用，和人們的日常生活息息相關(guān)。它是保證市民以及各行各業(yè)正常的生產(chǎn)生活的重要的城市基礎(chǔ)設(shè)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(wǎng)中的水量不均和各種雜志較多，導(dǎo)致泵站水泵機(jī)組運(yùn)行的效率下降，為解決上述問題，同時(shí)達(dá)到提高效率、節(jié)能降耗、降低運(yùn)行成本的目的，文章就變頻調(diào)速技術(shù)在東莊污水泵站中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：變頻技術(shù)；污水泵站；水泵

緒論

城市大型污水泵站的運(yùn)行管理如何做到“安全、可靠、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)”，是我們多年來一直研究的課題。經(jīng)過多年的研究和泵站運(yùn)行管理的實(shí)踐，泵站運(yùn)行管理總體上向著兩大方面發(fā)展，其一是采用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)泵站自動(dòng)化控制與管理，泵站自動(dòng)化控制與管理在泵站的安全與可靠運(yùn)行上發(fā)揮了重要作用。其二是在泵站機(jī)泵控制系統(tǒng)中采用高科技技術(shù)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)節(jié)能運(yùn)行，向管理要效益。

在東莊污水泵站使用交流變頻調(diào)速技術(shù)、電磁流量計(jì)以及與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了泵站電動(dòng)控制、流量測量及計(jì)算機(jī)控制一體化。其中交流變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用在技術(shù)先進(jìn)、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(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。東莊污水泵站在運(yùn)行管理方面實(shí)現(xiàn)了“安全、可靠、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)”，為今后污水泵站運(yùn)行管理提供了新的運(yùn)行模式和經(jīng)驗(yàn)。

1 東莊污水泵站介紹

東莊污水泵站位于北京市豐臺(tái)區(qū)北京南站南側(cè)，涼水河北岸.主要負(fù)責(zé)抽升南二環(huán)濱河路污水下游的污水，占地面積4600m2設(shè)計(jì)抽升能力為Q=3.0m3/s。

東莊污水泵站擔(dān)負(fù)著泵站上游大約1024公頃面積內(nèi)的污水抽升任務(wù)。由于泵站設(shè)計(jì)沒有溢流口，因此對泵站正常抽升運(yùn)行要求較高，必須保證泵站在不同情況下的正常運(yùn)行，保證泵站上游服務(wù)區(qū)不發(fā)生淹泡事故，保證服務(wù)區(qū)內(nèi)人民的正常生活和生產(chǎn)。

由于泵站運(yùn)行要求較高，我們在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采用交流變頻調(diào)速技術(shù)對交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行，利用變頻調(diào)速器具有的優(yōu)良的速度控制和轉(zhuǎn)矩控制特性，使泵站機(jī)電設(shè)備運(yùn)行在較佳的狀態(tài)下，從而保證了泵站安全可靠的運(yùn)行。

2 交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于東莊污水泵站水泵的調(diào)速運(yùn)行

在工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸及日常生活中采用交流異步電動(dòng)機(jī)與變頻器相結(jié)合的交流調(diào)速在國外已經(jīng)極為廣泛，在國內(nèi)也開始推廣。變頻調(diào)速是交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的發(fā)展趨勢。用變頻器對交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速非常簡單，只要將變頻器接在電源饋線與交流異步電動(dòng)機(jī)之間就構(gòu)成一套交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。

變頻器操作簡單，易于控制，而且又能實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，不僅消除了因直接起動(dòng)存在的對電動(dòng)機(jī)及設(shè)備的機(jī)械沖擊，而且也消除了對電網(wǎng)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(diào)速器具有良好的使用價(jià)值。

2.1 電氣系統(tǒng)控制原理

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

電氣系統(tǒng)圖中每三臺(tái)水泵由一臺(tái)交流變頻調(diào)速器控制運(yùn)行，并通過變頻/工頻切換達(dá)到用一臺(tái)交流變頻調(diào)速器控制三臺(tái)水泵的目的。工作原理如下：

根據(jù)泵站集水池水位達(dá)到設(shè)定開泵液位位置時(shí)，交流變頻調(diào)速器控制回路中的交流接觸器閉合，由交流變頻調(diào)速器控制起動(dòng)一臺(tái)水泵變頻運(yùn)行。當(dāng)泵站來水量增加，交流變頻調(diào)速器輸出頻率根據(jù)單回路調(diào)節(jié)器的輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高水泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度，增大水泵抽升量。當(dāng)泵站來水量增加使得這臺(tái)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度由交流變頻調(diào)速器控制達(dá)到工頻運(yùn)轉(zhuǎn)速度時(shí)，交流變頻調(diào)速器的控制器將水泵切換到工頻運(yùn)行狀態(tài)，交流變頻調(diào)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(dāng)泵站來水量繼續(xù)增加，集水池水位繼續(xù)上升到開第二臺(tái)水泵液位時(shí)，交流變頻調(diào)速器控制起動(dòng)第二臺(tái)水泵變頻運(yùn)行，以此類推。

當(dāng)泵站來水量降低，不能滿足兩臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)，交流變頻調(diào)速器的控制器首先將工頻運(yùn)轉(zhuǎn)的水泵交流接觸器斷開，工頻運(yùn)轉(zhuǎn)的水泵停泵。另一臺(tái)變頻運(yùn)行的水泵繼續(xù)運(yùn)行。以此類推進(jìn)行水泵調(diào)節(jié)運(yùn)行，滿足泵站抽升運(yùn)行。

按照一般的設(shè)計(jì)，每臺(tái)水泵由一臺(tái)交流變頻調(diào)速器控制進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行，系統(tǒng)控制可靠性很高，但是投資較大。本系統(tǒng)采用一臺(tái)交流變頻調(diào)速器控制三臺(tái)水泵運(yùn)行的方案，在電氣系統(tǒng)控制上構(gòu)成兩套閉環(huán)控制系統(tǒng)，同時(shí)采用先進(jìn)的變頻/工頻切換技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了用一臺(tái)交流變頻調(diào)速器控制三臺(tái)水泵運(yùn)行，保證了泵站的安全可靠運(yùn)行，節(jié)省了大量的初期投資，又滿足了泵站整體運(yùn)行的需要。本套系統(tǒng)在泵站設(shè)計(jì)應(yīng)用上具有較高的推廣使用價(jià)值。

2.2 恒定（集水池）液位閉環(huán)控制

在泵站系統(tǒng)運(yùn)行中，通過超聲波液位計(jì)檢測的泵站集水池液位L1與控制系統(tǒng)給定的液位L0比較，將其差值信號經(jīng)單回路調(diào)節(jié)器輸出作為變頻調(diào)速器的速度給定信號V1。當(dāng)來水量增大，液位L1上升，甚至超過L0給定液位。這時(shí)速度給定信號V1為正值，促使變頻調(diào)速器輸出頻率f1上升，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速n提高，水泵排水量增大。經(jīng)過一段時(shí)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(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。反之，當(dāng)來水量減少時(shí)，液位L1減少，促使速度給定信號V1變?yōu)樨?fù)值，此時(shí)變頻調(diào)速器輸出頻率f1下降，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)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(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。從而實(shí)現(xiàn)了“恒定（集水池）液位閉環(huán)控制”，使污水泵以無級調(diào)速方式完成污水泵站抽升任務(wù)。

通過交流變頻調(diào)速器控制水泵運(yùn)行實(shí)現(xiàn)“恒定（集水池）液位閉環(huán)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(yáng)程，提高水泵效率，達(dá)到節(jié)能的目的。

在沒有采用交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的泵站中，設(shè)計(jì)上采用大泵和小泵相結(jié)合的方式，泵站運(yùn)行中根據(jù)泵站上游來水量的大小，通過開大泵和小泵進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)形式為階梯式調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)波動(dòng)大，無法保證水泵工作在最佳工況下，與變頻調(diào)速系統(tǒng)相比具有很大差別。

3 泵站應(yīng)用交流變頻調(diào)速器調(diào)速運(yùn)行的主要優(yōu)點(diǎn)

（1）通過交流變頻調(diào)速器實(shí)現(xiàn)泵站水泵無級調(diào)速運(yùn)行完成城市污水大幅度波動(dòng)的調(diào)節(jié)抽升任務(wù)，達(dá)到節(jié)約電能的目的。

目前我市設(shè)計(jì)和運(yùn)行的污水泵站，大多采用大泵與小泵相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)泵站上游來水量的情況，通過改變開泵臺(tái)數(shù)和開泵的大小來調(diào)節(jié)泵站抽水量。這種運(yùn)行方式的不足主要體現(xiàn)在集水池液位變化大，不能保持集水池液位總處在一個(gè)理想的高水位，達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。往往抽升水位較低造成水泵運(yùn)行耗能加大。因此通過交流變頻調(diào)速器實(shí)現(xiàn)泵站水泵無級調(diào)速運(yùn)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(dá)到節(jié)約電能的目的。

（2）通過交流變頻調(diào)速器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的“軟啟動(dòng)”，既電機(jī)起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流由0值逐步上升到電機(jī)負(fù)載電流值。此項(xiàng)功能是交流變頻調(diào)速器具有的一種功能。

交流變頻調(diào)速器具有的優(yōu)良的速度控制和轉(zhuǎn)矩控制特性，保證了電動(dòng)機(jī)良好的起動(dòng)性能，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的軟起功。交流變頻調(diào)速器軟起動(dòng)功能的優(yōu)點(diǎn)如下：

電動(dòng)機(jī)在直接起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流很大，起動(dòng)電流約為額定電流的5～7倍。電動(dòng)機(jī)在“軟起動(dòng)”時(shí)起動(dòng)電流由0值逐步上升到電機(jī)負(fù)載電流值，有效地限制了電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流，相對延長了電動(dòng)機(jī)的使用壽命。同時(shí)，起動(dòng)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(shè)備的穩(wěn)定性。小的起動(dòng)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(dòng)機(jī)起動(dòng)對電網(wǎng)的沖擊，減少了電網(wǎng)的波動(dòng)，提高了電網(wǎng)的質(zhì)量。

（3）采用變頻調(diào)速器后，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性較好，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速降低，使電動(dòng)機(jī)軸承、水泵軸承等部件不易磨損，由于變頻器功能強(qiáng)大，可靠性高，使得機(jī)械故障、電器故障減少，設(shè)備壽命延長，從而大大地減少了設(shè)備維修工作量和費(fèi)用。

4 交流變頻調(diào)速器在東莊泵站運(yùn)行過程中的經(jīng)濟(jì)效益分析

水泵電動(dòng)機(jī)的電功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系式及水泵流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系式：

（1）電動(dòng)機(jī)的電功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式

p=（n/ne）3pe （千瓦） （1）

式中：p-電機(jī)消耗電功率（千瓦）；pe-電機(jī)額定電功率（千瓦）；n-電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）；ne-電機(jī)額定轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）。

從上述公式分析ne、pe為恒定值，電動(dòng)機(jī)的電功率隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速n的降低而降低，交流變頻調(diào)速器通過調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)污水抽升調(diào)節(jié)。因此可以使水泵長期在低于額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，降低電機(jī)消耗的電功率，達(dá)到節(jié)省電能的目的。東莊污水泵站經(jīng)過兩年的運(yùn)行，絕大部分時(shí)間水泵是在低于額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，因此交流變頻調(diào)速器的應(yīng)用具有較大的節(jié)能效益。

例如：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降10%，即n=0.9ne（轉(zhuǎn)/分）時(shí)，則對應(yīng)電動(dòng)機(jī)功率p=（0.9）3pe=0.73pe（千瓦），既電機(jī)功率降低了27%。

（2）水泵流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系式

Q=（n/ne）2Qe（千瓦） （2）

式中：Q-水泵流量（千噸/小時(shí)）；Qe-水泵額定流量（千噸/小時(shí)）；n-電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）；ne-電機(jī)額定轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）

從公式（2）分析，ne、Qe為恒定值，因此水泵流量隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速n 的降低而降低，交流變頻調(diào)速器通過調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)污水抽升量的調(diào)節(jié)。

（3）水泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)單位耗電的計(jì)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(shù)：pe=95千瓦 Qe=2.7千噸/小時(shí)

ne=580轉(zhuǎn)/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(zhuǎn)速n的關(guān)系式。

（4）東莊泵站運(yùn)行中實(shí)際測量數(shù)據(jù)表（見表1）

表1數(shù)據(jù)表明當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，電機(jī)功率、流量和單位耗電均下降。從單位耗電下降可以計(jì)算出水泵在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的節(jié)電效果。

（5）各項(xiàng)參數(shù)下降百分比（見表2）

說明：各項(xiàng)參數(shù)均與電機(jī)額定轉(zhuǎn)速580（轉(zhuǎn)/分）時(shí)的參數(shù)進(jìn)行比較。

表2數(shù)據(jù)表明隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷下降，電機(jī)抽升運(yùn)行的單位耗電下降百分比逐漸加大，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降22.41%時(shí)，單位耗電下降了約15%。既當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在450（轉(zhuǎn)/分）轉(zhuǎn)速時(shí)，要比電機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速580（轉(zhuǎn)/分）時(shí)節(jié)電15%。

（6）不同轉(zhuǎn)速時(shí)單位耗電理論計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際測量數(shù)據(jù)對比（見表3）：

表3數(shù)據(jù)對比顯示理論計(jì)算值與實(shí)際測量值基本相符，轉(zhuǎn)速較低時(shí)二者基本相等。

（7）東莊泵站應(yīng)用交流變頻調(diào)速器控制水泵運(yùn)行的節(jié)電效果計(jì)算如下：

根據(jù)表1，當(dāng)轉(zhuǎn)速從580（轉(zhuǎn)/分）下降到450（轉(zhuǎn)/分）時(shí)，單位耗電下降為：31.97-27.17=4.8（度/千噸）

水泵在450（轉(zhuǎn)/分）轉(zhuǎn)速下運(yùn)行比水泵在580（轉(zhuǎn)/分）轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)每抽升1千噸污水可節(jié)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(jì)算，其中大約1.5萬千噸的水量是在水泵以450（轉(zhuǎn)/分）轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)抽升的，則每年可節(jié)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(fèi)按每度電0.6（元）計(jì)算

上述計(jì)算表明：以東莊目前運(yùn)行情況分析，每年節(jié)約電費(fèi)支出約4.32萬元，其經(jīng)濟(jì)效益是當(dāng)明顯的。

5 結(jié)束語

通過上述分析，東莊污水泵站應(yīng)用交流變頻調(diào)速器技術(shù)對泵站機(jī)泵實(shí)施變頻調(diào)速控制運(yùn)行具有較大的節(jié)約電能的效果，同時(shí)由于電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)功能和電機(jī)水泵的低速運(yùn)轉(zhuǎn)減少了泵站運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，降低了泵站變壓器容量，減少了初期投資，創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益。泵站采用交流變頻調(diào)速技術(shù)所取得的經(jīng)驗(yàn)為今后城市大中型污水泵站的抽升運(yùn)行提供了可靠的依據(jù)，也為城市大中型污水泵站運(yùn)行提供了新的運(yùn)行模式。由于實(shí)現(xiàn)了“恒定（集水池）液位閉環(huán)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(jìn)、經(jīng)濟(jì)”運(yùn)行，由此產(chǎn)生的社會(huì)效益也是較大的，通過泵站兩年多的運(yùn)行充分證明了這一點(diǎn)。東莊泵站安全可靠運(yùn)行保證了上游服務(wù)區(qū)域內(nèi)人民的正常生活和生產(chǎn)。因此交流變頻調(diào)速技術(shù)在城市污水泵站中的應(yīng)用具有較大的推廣使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]機(jī)械工程手冊電機(jī)工程編輯委員.電工程機(jī)手冊（第二版：電機(jī)卷）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[2]關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)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。