孔淑芹 路文梅 蘇永軍 劉風(fēng)華 易寶龍

【摘要】文中以引大入港輸水工程的供水泵站變頻改造運(yùn)行為例，闡述了泵站采用變頻調(diào)速控制運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)和效果，并對(duì)泵站在不同的運(yùn)行方式下的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出了該泵站的最佳運(yùn)行方案，同時(shí)對(duì)泵站的設(shè)計(jì)運(yùn)行提出了建議。

【關(guān)鍵詞】變頻調(diào)速；泵站；控制系統(tǒng)；節(jié)能

前言

對(duì)于大多數(shù)采用供水企業(yè)來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)供水機(jī)泵存在日常運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用高，單位供水的能耗偏大的問(wèn)題，尋求供水與能耗之間的最佳性價(jià)比，是供水企業(yè)一直探究的問(wèn)題。變頻調(diào)速控制技術(shù)是一項(xiàng)集現(xiàn)代化先進(jìn)電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)及控制技術(shù)于一體的高效節(jié)能技術(shù)，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多泵站水廠采取了變頻調(diào)速的節(jié)能降耗措，收到了良好的節(jié)能效果。文中介紹了引大入港（引大浪淀的水到黃驊港）輸水工程的基本情況，闡述了采用變頻控制運(yùn)行方式的優(yōu)點(diǎn)和效果，并對(duì)供水泵站在不同的變頻控制運(yùn)行方式下進(jìn)行試驗(yàn)，探究變頻控制運(yùn)行的最佳方案，同時(shí)對(duì)泵站設(shè)計(jì)及運(yùn)行提出建議。該項(xiàng)研究對(duì)其他泵站的設(shè)計(jì)運(yùn)行具有一定的參考價(jià)值。

1、引大入港供水泵站的基本情況

引大入港輸水工程主要包括：供水泵站、油田站、黃驊站、港口泵站等。引大入港各泵站設(shè)計(jì)投運(yùn)年限不同，機(jī)組的控制運(yùn)行方式不同。其中供水泵站在2004年設(shè)計(jì)投運(yùn)，有6臺(tái)臥式離心水泵電動(dòng)機(jī)組，電機(jī)功率185kW，正常情況下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行方式為運(yùn)行4臺(tái)機(jī)組，2臺(tái)備用。

泵站在設(shè)計(jì)時(shí)裝機(jī)一般由最不利條件下、最大時(shí)流量和所需相應(yīng)揚(yáng)程決定，并考慮今后一定時(shí)期的發(fā)展。但是實(shí)際運(yùn)行時(shí)會(huì)有多種工況，泵站供水對(duì)象用水量不均勻，泵站每天只有很短時(shí)間能達(dá)到最大流量，大多數(shù)時(shí)間都處在小流量下工作。水泵大多數(shù)時(shí)間在設(shè)計(jì)效率以下運(yùn)行，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)與水泵之間常是在低效區(qū)運(yùn)行。流量變化影響管網(wǎng)水頭損失變化，在幾何揚(yáng)程很小的情況下，送水泵站出口所需壓力隨流量變化更顯著。引大入港輸水工程的供水泵站在最初設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有采用變頻調(diào)速控制，為適應(yīng)流量的變化，泵站運(yùn)行中采取人工調(diào)節(jié)出口閥門控制流量。該種控制方式，難以精確控制流量，系統(tǒng)效率低；當(dāng)流量降低、閥位開度減小時(shí)，閥門前后壓差增加，阻力增大，能耗增加；閥門長(zhǎng)期處于40%～70%開度運(yùn)行，加速閥體自身磨損，導(dǎo)致閥門控制特性變差；閥門調(diào)節(jié)不當(dāng)時(shí)還會(huì)增加管網(wǎng)水錘壓力，降低了工作安全特性；過(guò)高的管網(wǎng)壓力威脅設(shè)備的密封性能，造成管網(wǎng)、閥門泄漏；水泵及閥門系統(tǒng)的使用壽命變短，日常維護(hù)量大，維修成本較高。

2、供水泵站變頻調(diào)速運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)和效果

為解決傳統(tǒng)控制運(yùn)行方式帶來(lái)的問(wèn)題，對(duì)引大入港輸水工程的供水泵站進(jìn)行了變頻控制改造，運(yùn)行方式是4臺(tái)運(yùn)行，2臺(tái)備用，采用6臺(tái)變頻器一對(duì)一控制方式。變頻調(diào)速技術(shù)其實(shí)質(zhì)就是通過(guò)在相應(yīng)的管網(wǎng)壓力傳感信號(hào)輸入的狀態(tài)下 ，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率 ，達(dá)到改變泵站水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速以及供水量的目的 ，進(jìn)而在滿足對(duì)于水壓以及用水量要求的前提下 ，降低單位供水量的能耗。通過(guò)幾年的運(yùn)行泵站變頻恒壓供水的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和效果較為顯著，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

有效地節(jié)約泵站機(jī)組設(shè)備運(yùn)行的能耗。根據(jù)泵與風(fēng)機(jī)學(xué)的相似定律，水泵系統(tǒng)采用變頻調(diào)節(jié)時(shí)，直接通過(guò)改變水泵電機(jī)頻率改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以滿足不同運(yùn)行工況的需求，通過(guò)變頻調(diào)速控制，水泵的工作狀態(tài)是隨著用戶用水量以及用水壓力的變化自動(dòng)的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 ，水泵也是一直處于變頻的工作狀態(tài)。 變頻系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，泵站出口壓力維持不變。給定出口壓力為Hg時(shí)，當(dāng)流量 Q 變動(dòng)時(shí)，因轉(zhuǎn)速變化導(dǎo)致?lián)P程流量特性H1～Q 上下移動(dòng)，泵工作點(diǎn)在 H=Hg線上作水平移動(dòng)。通過(guò)特性曲線可以清楚地看出水泵消耗軸功率的變化，即采用變頻調(diào)速保證壓力恒定與流量需求。此時(shí)電機(jī)消耗的能量隨電機(jī)轉(zhuǎn)速立方的關(guān)系下降，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)期間的電能消耗也隨之降低，變頻調(diào)速節(jié)電效果非常顯著。因而相比傳統(tǒng)的恒速水泵而言，降低泵站運(yùn)行時(shí)的耗電量。

根據(jù)水泵相似類關(guān)系式，P/P0=（ N/N0）3計(jì)算， 式中為 P0額定轉(zhuǎn)速 N0時(shí)的功率； P 為轉(zhuǎn)速 N 時(shí)的功率。 以一臺(tái)水泵使用的 185 k W 電機(jī)為例，假設(shè)機(jī)組24 h 連續(xù)運(yùn)行， 并且每天運(yùn)行在90%負(fù)荷（ 頻率按 40 Hz 計(jì)算， 閥門調(diào)節(jié)時(shí)功耗按98%計(jì)算）， 全年運(yùn)行時(shí)間 300 天，則采用工頻運(yùn)行閥門調(diào)節(jié)時(shí)每年的耗電量為：

W1=185×98%×24×300=1 305 360 kW·h

變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)每年的耗電量為：

W2=185×（ 40/50）3×24×300=681 984 kW·h

變頻調(diào)速運(yùn)行較傳統(tǒng)運(yùn)行方式減少電能消耗：

W=W1- W2=1 305 360 -681 984=623 376 kW·h

每 1kWh 電按 0.5元計(jì)算， 則采用變頻調(diào)速每年可節(jié)電費(fèi)311 688元。引大入港輸水工程所有泵站采用變頻控制方式后，每年節(jié)省了大量的電費(fèi)。

2）泵站采取變頻調(diào)速控制提高了泵站的運(yùn)行效率。通過(guò)變頻調(diào)速系統(tǒng)，在用水量或者是水壓發(fā)生變化的情況下，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)這些變化進(jìn)行自動(dòng)的檢測(cè)，并按照檢測(cè)信息調(diào)整泵站水泵機(jī)組的工作狀況，進(jìn)而確保泵站水泵處于高效的運(yùn)行狀態(tài)。

3）變頻調(diào)速控制系統(tǒng)減小了對(duì)供水設(shè)備的損壞，降低了維修費(fèi)用。由于變頻調(diào)速屬于無(wú)級(jí)調(diào)速方式，能夠?qū)崿F(xiàn)水泵的軟啟動(dòng)，機(jī)泵的啟動(dòng)電流及啟動(dòng)能耗大幅降低，從而避免了起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，并且能提高功率因數(shù)， 減小電源設(shè)備容量。泵站水泵啟停的自動(dòng)化控制，無(wú)需值班人員進(jìn)行人工的操作，不僅可以避免操作失誤問(wèn)題的發(fā)生，而且由于變頻器的啟停較為平穩(wěn) ，避免對(duì)于管網(wǎng)造成沖擊及運(yùn)行磨損，此外由于采取變頻調(diào)速控制管理，能夠避免水泵在切換時(shí)出現(xiàn)的震蕩現(xiàn)象，對(duì)于延長(zhǎng)泵站機(jī)組設(shè)備使用壽命。采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)后降低了設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

4）簡(jiǎn)化了操作，數(shù)據(jù)讀取更方便。通過(guò)對(duì)泵站進(jìn)行變頻技術(shù)改造之后，對(duì)于泵站運(yùn)行過(guò)程中的各種參數(shù)例如泵站電機(jī)的運(yùn)行頻率、電流、電壓、變頻器輸入以及輸出端的電壓電流、泵站管網(wǎng)水壓、流量等一系列的參數(shù)，都可以通過(guò)數(shù)字化的顯示屏直觀的了解，方便了對(duì)于泵站供水系統(tǒng)運(yùn)行的觀察和控制。

3、不同運(yùn)行方式下運(yùn)行數(shù)據(jù)及分析

引大入港輸水工程的供水泵站，設(shè)計(jì)裝機(jī)6臺(tái)，運(yùn)行方式是4臺(tái)運(yùn)行，2臺(tái)備用，采用6臺(tái)變頻器，一對(duì)一控制方式。為了能充分發(fā)揮變頻裝置的作用又能最大程度的降低能耗，結(jié)合泵站的實(shí)際情況進(jìn)行了不同運(yùn)行方式的試驗(yàn)，目的是找出該泵站節(jié)能運(yùn)行的最佳的運(yùn)行方式。

不同運(yùn)行方式下的試驗(yàn)。為了對(duì)比不同運(yùn)行方式下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在每天相同時(shí)段，供水流量、水壓基本不變的情況下進(jìn)行試驗(yàn)。運(yùn)行方式包括：4臺(tái)泵變頻運(yùn)行，2臺(tái)泵備用；5臺(tái)泵變頻運(yùn)行，1臺(tái)泵備用；6臺(tái)泵變頻運(yùn)行。試驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表1中。

從表1中可見，在管網(wǎng)壓力相同，流量基本相同的情況下3種運(yùn)行方式中，采用6臺(tái)泵變頻運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果最明顯，運(yùn)行費(fèi)用最低。假設(shè)年均運(yùn)行時(shí)間按300 天，電價(jià) 0.5 元/k Wh 計(jì)算，日平均日供水量 68400t，年可節(jié)約電費(fèi)近17.9萬(wàn)元，平均日供水量，采用相同的運(yùn)行方式時(shí)，隨著用水量的增加耗電量在增加。從近兩年的運(yùn)行情況看，該供水泵站在通常的供水流量下，6臺(tái)機(jī)組全部變頻運(yùn)行的方式耗電量最低；6臺(tái)機(jī)組運(yùn)行設(shè)備的維修概率反而比原設(shè)計(jì)4臺(tái)機(jī)組運(yùn)行方式時(shí)要少?？梢?，該泵站采用6臺(tái)機(jī)組全部調(diào)頻運(yùn)行節(jié)能效果最好。

4、對(duì)泵站設(shè)計(jì)及運(yùn)行的建議

1）設(shè)計(jì)時(shí)合理選擇機(jī)泵設(shè)備，提高泵機(jī)組效率。可采用考慮泵站年運(yùn)行時(shí)間揚(yáng)程密度與包絡(luò)線法相結(jié)合的方法、等揚(yáng)程加大流量法進(jìn)行水泵機(jī)組選型，可以節(jié)省泵站運(yùn)行費(fèi)用。應(yīng)及時(shí)更換淘汰設(shè)備，降低運(yùn)行維護(hù)成本。

2）設(shè)計(jì)時(shí)要考慮變頻設(shè)備利用率最大化與遠(yuǎn)期變頻應(yīng)用。對(duì)單臺(tái)變頻器控制單臺(tái)電機(jī)、單臺(tái)變頻器控制多臺(tái)電機(jī)、變頻運(yùn)行和工頻運(yùn)行相結(jié)合等運(yùn)行方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，提出較優(yōu)化的方案。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，變頻器拖的電機(jī)較多，

控制系統(tǒng)就會(huì)越復(fù)雜，成本也會(huì)較高一些。從國(guó)內(nèi)目前成熟的變頻器上考慮，采用1拖2方式的低壓變頻器成本較低，技術(shù)也較成熟。

3）運(yùn)行單位要根據(jù)泵站的實(shí)際情況，積極通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定在一定供水條件下的條件下的最佳運(yùn)行方式，既能充分發(fā)揮變頻裝置的作用又能最大程度的降級(jí)能耗。

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