楊宇陽

(山東新匯建設(shè)集團有限公司，山東 東營 257091）

國家大力提倡節(jié)能產(chǎn)品和雙碳經(jīng)濟，水泵電機在國民經(jīng)濟中應(yīng)用最廣泛，同時又是耗電最大的通用機械，具有巨大的節(jié)能空間。能源消耗日益嚴(yán)重，能源問題已成為必須面對和解決的問題，節(jié)能降耗迫在眉睫。流體在輸送過程中，泵站的動力幾乎全部用于克服流體表面摩擦阻力，泵在給排水工程中耗電量巨大，對自來水制水成本、污水處理成本等有較大的影響，一般城鎮(zhèn)自來水廠泵站消耗電費約占制水成本的40%~70%，泵在城市污水處理中也是耗能較大的設(shè)備，因此，泵的節(jié)能降耗問題已成為泵行業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

1 技術(shù)背景及目標(biāo)

隨著城市化進程的加快，城鎮(zhèn)污水處理廠不斷增加，截止到2020年底，全國共有污水處理廠3000座左右，潛污泵耗能電費在城市污水處理廠中占有較大比重，目前在用的潛污泵，驅(qū)動電機采用傳統(tǒng)異步電機，體積及重量較大，效率及功率因數(shù)較低，耗能高，水力部件沒有進行優(yōu)化設(shè)計，造成潛污泵運行效率偏低，尤其是不適合變工況運行使用，導(dǎo)致運行效率更低。

2021年10月29日工業(yè)和信息化部和市場監(jiān)督管理總局聯(lián)合發(fā)布的關(guān)于印發(fā)《電機能效提升計劃（2021-2023年）》的通知（工信部聯(lián)節(jié)〔2021〕45號）中要求：加快提升綠色設(shè)計能力。積極推進電機系統(tǒng)全生命周期綠色設(shè)計，鼓勵通過電機性能優(yōu)化、鐵芯高效化、機殼輕量化等系統(tǒng)化創(chuàng)新設(shè)計，綜合提升電機產(chǎn)品能源資源利用效率。優(yōu)化風(fēng)機、水泵葉輪尺寸和線型，大力發(fā)展與高效節(jié)能電機合理匹配的新一代風(fēng)機、水泵產(chǎn)品。細分負載特性及不同工況，針對風(fēng)機、水泵、壓縮機、機床等通用設(shè)備，鼓勵采用2級能效及以上的電動機，針對變負荷運行工況，推廣2級能效及以上的變頻調(diào)速永磁電機。推動風(fēng)機、泵、壓縮機等電機系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研發(fā)，加快應(yīng)用離心式風(fēng)機、水泵等二次方轉(zhuǎn)矩特性類負載與高效節(jié)能電機匹配技術(shù)、低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)技術(shù)、高速直驅(qū)技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)等，提高電機系統(tǒng)效率和質(zhì)量。進一步優(yōu)化電機控制算法與控制性能，加快突破永磁電機效率最優(yōu)控制和無位置傳感器磁阻電機參數(shù)精確辯識等技術(shù)。

提升潛污泵的運行效率非常必要，必須改進潛污泵的驅(qū)動電機性能效率，大幅提升、優(yōu)化水力部件性能，必須研制高效永磁電機驅(qū)動潛污排水泵，符合高效節(jié)能的總體要求，能夠達到2級能效標(biāo)準(zhǔn)以上，新研制應(yīng)用的永磁驅(qū)動高效潛污泵可以滿足以上要求。

2 永磁電機驅(qū)動高效潛污泵的技術(shù)特點

2.1 主要部件構(gòu)

永磁電機驅(qū)動高效潛污泵，是一種由高效永磁潛液電機與優(yōu)質(zhì)水力部件優(yōu)化組合的新一代高效輸送設(shè)備，采用智能變頻控制系統(tǒng)驅(qū)動控制，是目前唯一能達到水泵一級能效標(biāo)準(zhǔn)的泵類設(shè)備。

圖1 高效潛污排水泵總成圖

圖2 永磁驅(qū)動電機與異步電機效率對比圖

2.2 永磁驅(qū)動電機性能技術(shù)特點

永磁電機采用永磁體生成電機的磁場，無需勵磁線圈也無需勵磁電流。永磁驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子采用無勵磁電流設(shè)計，同步運行，溫升更小；通過定、轉(zhuǎn)子的磁場設(shè)計改變及變頻器穩(wěn)定的正弦波矢量控制，電磁噪音低，過載能力強、高效區(qū)間寬，永磁同步電機配套智能變頻控制，在25%~120%額定負載范圍內(nèi)，保持高效率平穩(wěn)運行；永磁驅(qū)動電機重量輕、體積小、運行穩(wěn)定、可靠性高，同等性能條件下較三相異步電機體積及重量減少20%~30%,額定效率可達最新國標(biāo)的1級能效等級標(biāo)準(zhǔn)，較三相異步電機提高3%~10%；功率因數(shù)0.95以上，用電量較傳統(tǒng)異步電機節(jié)省10%~30%，節(jié)能效果明顯。

2.3 水力部件性能技術(shù)特點

對于污水泵，由于被輸送的介質(zhì)中常含有易產(chǎn)生纏繞或聚束的纖維物，使污水泵的流道容易堵塞，一旦堵塞嚴(yán)重，導(dǎo)致泵不能正常工作，甚至燒壞電動機。新型高效潛污排水泵的泵體部件采用獨特的單片或雙流道葉輪結(jié)構(gòu)，提高了介質(zhì)中污雜物通過能力，通過能力強，能有效通過泵口徑的5倍纖維物質(zhì)或直徑為泵口徑約50%的固體顆粒。葉輪材質(zhì)采用2Cr13不銹鋼材質(zhì)，具有較好的耐磨性能，性能穩(wěn)定。水泵與電機之間采取雙端面機械密封，采用新型硬質(zhì)耐腐的碳化鎢材料，具備耐振性、壽命長、功率損失小的機械密封，保證其連續(xù)使用壽命，每個固定止口密封處采用“O”型耐油橡膠密封圈靜密封。

圖3 泵體外形圖

圖4 潛污泵工作及停止液位控制示意圖

2.4 控制系統(tǒng)技術(shù)特點

2.4.1 控制系統(tǒng)性能技術(shù)特點

泵組設(shè)置有高精度漏水檢測傳感器、熱敏感應(yīng)元件，將內(nèi)部漏水、過溫信號反饋于控制系統(tǒng)，通過監(jiān)控泵組工作數(shù)據(jù)分析判斷并實現(xiàn)報警、停機、斷電等指令，實現(xiàn)運行中出現(xiàn)異常情況的保護，使泵組更安全可靠運行,控制系統(tǒng)具備以下功能。

（1）具備遠程和本地控制能力。

（2）故障報警和主動停機。

（3）遠程視頻監(jiān)控功能。

（4）信息管理平臺對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸。

2.4.2 泵組啟?？刂品绞?/p>

通過浮球開關(guān)方式，根據(jù)浮球高低位置產(chǎn)生液位信號，液位信號主動觸發(fā)控制系統(tǒng)，控制泵組的啟停，實現(xiàn)自動運行。

（1）通過接入高低水位浮球開關(guān)，利用其浮起狀態(tài)閉合觸點信號來控制水泵啟停。

（2）浮球開關(guān)安裝在安裝導(dǎo)桿上，高、低水位由客戶指定。

（3）當(dāng)液位高于高水位開關(guān)時，觸發(fā)水泵工作，直至液位低于低水位開關(guān)時才停機。

（4）當(dāng)液位低于低水位開關(guān)時，觸發(fā)水泵停機，直至液位高于高水位開關(guān)時才能開機。

3 新型高效潛污泵應(yīng)用分析

3.1 應(yīng)用案例

新型高效潛污排水泵已在長沙某污水處理廠、株洲某污水處理廠、阿聯(lián)酋某海水淡化等項目中成功使用，實際運行效果較好。泵組設(shè)置有高精度漏水檢測傳感器、熱敏感應(yīng)元件，將內(nèi)部漏水、過溫信號反饋于控制系統(tǒng)，通過監(jiān)控泵組工作數(shù)據(jù)分析判斷并實現(xiàn)報警、停機、斷電等指令，實現(xiàn)運行中出現(xiàn)異常情況的保護，使泵組運行更安全可靠，實現(xiàn)智能控制、全程監(jiān)控。

圖5 長沙某污水處理廠擴容(四期)項目現(xiàn)場使用圖

圖6 株洲某污水處理廠現(xiàn)場使用圖

3.2 應(yīng)用效果分析

對比同等條件下的：流量：3500m3/h，揚程：16.5M，配套電機380VAC/220KW/50Hz的高效潛污排水泵與國外某品牌潛污泵綜合性能參數(shù)，如表1所示。

表1 高效潛污泵與國外常規(guī)同型號排水泵性能參數(shù)對比表

從上述性能參數(shù)對比可以得出：同等流量和揚程工況下，高效潛污泵效率要高約3%；功率因數(shù)要高15%，永磁同步電機效率要高約3%，額定工作電流要小20%，泵組計算綜合節(jié)能率達25%以上，且采用智能變頻啟動控制電流小于額定電流，無大電流沖擊，保證了泵組的可靠運行，減少對電氣設(shè)備及電網(wǎng)損害。

在同等流量和揚程規(guī)格下，與常規(guī)潛污泵所配套的電機輸入功率對比，新一代永磁潛污泵根據(jù)水泵優(yōu)化設(shè)計及高效率永磁同步電機驅(qū)動，選用的配套功率要比傳統(tǒng)異步電機降低1~2個等級規(guī)格，輸入功率節(jié)省15%~30%，較常規(guī)潛污泵更節(jié)能。

2020年12月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心主持召開了“永磁電機驅(qū)動高效潛污泵”系列產(chǎn)品建設(shè)行業(yè)科技成果評估會。評估委員會專家一致認(rèn)為：永磁潛污泵達到了國際先進水平，具有良好的推廣應(yīng)用價值。

4 進一步改進提升措施

4.1 配套變頻器的提升措施

永磁電機過載能力強，為確保潛污排水泵的穩(wěn)定運行及控制系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定，匹配的變頻器功率盡可能比潛污排水泵驅(qū)動永磁電機大一個功率規(guī)格,選用過載能力強、抗沖擊能力強的產(chǎn)品。

4.2 保護功能的提升措施

在潛污排水泵實際應(yīng)用中，如果出現(xiàn)電機電流過大，使電機溫度過高，將導(dǎo)致永磁體退磁，使電機性能降低，甚至無法使用，因此，在實際應(yīng)用中，加強使用運行的管理維護，不能超負荷運行使用，加強保護系統(tǒng)的維護，確保過載過流保護功能的完好，若出現(xiàn)異常問題，及時停機報警。

4.3 機械密封性能的提升措施

由于污水，是弱堿、弱酸性液體，潛污排水泵長期浸泡在其中，具有一定的腐蝕性，對機械密封中的橡膠件應(yīng)選用耐弱酸、耐弱堿的氟橡膠。由于污水中含有一定量的固體顆粒，應(yīng)選用耐顆粒沖擊摩擦的碳化鎢摩擦副機械密封。

5 結(jié)語

隨著國家城市化率的不斷提高，城市污水的產(chǎn)生量會不斷增加，一方面要大力倡導(dǎo)節(jié)水減排；另一方面，要不斷加大污水處理效率，降低能耗。永磁電機驅(qū)動潛污泵是降低污水處理廠能耗的重要途徑，必將在城市化率不斷提高、節(jié)能減排、綠色發(fā)展總要求不斷加強的大趨勢下，發(fā)揮越來越大的作用。