变频器在供水系统中的节能应用

成 海

(广西鱼峰水泥股份有限公司，广西 柳州 545008)

变频器在供水系统中的节能应用

成 海

(广西鱼峰水泥股份有限公司，广西 柳州 545008)

就供水系统涉及到的设计选型、系统设置、管路敷设及造成水泵供水系统高能耗的主要原因进行了介绍。系统设计合理，利用低压变频器变频作用控制水泵电机的转速，达到对水资源的节约和对能源的节约之目的。

节能；离心泵；变频器；电动机

目前，鱼峰水泥各生产线上根据电压等级的不同，采用高压/低压变频器对电机进行变频调速，节电效果较为明显。但企业的整个供水系统尚未拿出具体的实施办法对各生产线循环给排水的机电设备（水泵）进行节能改造。随着企业规模的不断发展，我们这些从事给排水工作的工程技术人员需要在生产实践中考虑，在充分满足企业用水需求的情况下，对水资源的节约和对能源的节约。供水系统中采用变频调速的方式其优点有：①提升了系统的可靠性，实现闭环恒压控制，使节能效率进一步提高。②控制离心泵的转速按系统所要求的流量或压力的变化而改变，实现了电动机的软停、软起、避免了启动时的电压冲击。③做到了资源综合利用，符合国家提倡的节能减排方针政策，具有较好的社会效益与一定的经济效益。

（一）造成水泵供水系统高能耗的主要原因

水泵在选型设计时，考虑生产过程中工况的不断变化，按所需最大功率量设计。预留较大富裕量、工效低、电耗大。正常运行时，很多情况都是在低负荷下运行,实际使用中、用水系统很多时间不一定能达到用水最大量，常用增加系统阻力来改变水量、平衡系统压力；在阀门上产生一个很大的能量损耗，造成电机用电损失、消耗大量的电能。造成供水系统高能耗的主要原因综合如下：

a.水泵及电机的本身设计效率偏低，制造工艺落后；

b.系统设计选型偏差大，致使水泵严重偏离最佳工况点运行；

c.管路系统设计、施工不合理，造成局部阻力偏高；水泵经常变工况运行，通过阀门节流调节，增加了扬程损耗；

d.管路系统渗漏、水流旁通，增加了流量损耗；

e.运行维护管理不当，未能及时更换备件，增加了内部泄漏损耗。

（二）水泵工作原理及节能方式探讨

水泵工作原理:水泵开泵前,吸入管和泵内必须充满液体。开泵后，叶轮高速旋转，其中的液体随着叶片一起旋转，在离心力的作用下，飞离叶轮向外射出，射出的液体在泵壳扩散室内速度逐渐变慢，压力逐渐增加，然后从泵出口，排出管流出。此时，在叶片中心处由于液体被甩向周围而形成既没有空气又没有液体的真空低压区，液池中的液体在池面大气压的作用下，经吸入管流入泵内，液体就是这样连续不断地从液池中被抽吸上来又连续不断地从排出管流出。

水泵流量与水泵（电机）转速成正比，水泵扬程与水泵（电机）转速平方成正比，水泵轴功率等于流量与扬程乘积，水泵轴功率与水泵转速三次方成正比（水泵轴功率与供电频率三次方成正比）。流量基本公式：流量∝转速 扬程∝转速2轴功率=流量＊扬程∝N3

根据上述原理可知，改变水泵转速就可改变水泵功率。

电机的转速决定水泵的转速，改变水泵转速就可改变水泵功率。将电机的供电频率由50Hz降为40Hz，则40Hz /50Hz=（40/50）3= 0.512。P40=0.512 P50

下图为三种流量控制方式比较、100KW三种流量控制方法测耗电比较表

流量% 变频器轴功率KW%输入阀门控制轴功率KW%输出阀门控制轴功率KW% 理想轴功率KW%60 25 64 89.5 21.6 70 38 68 95 34.3 80 55 72.5 99.5 51.2 90 79 84 103.5 73 100 108 106 107 100

采用电机变频调速的方式，控制离心泵的转速按系统所要求的流量或压力的变化而改变，实现了电动机的软停、软起、避免了启动时的电压冲击，降低了对电网的容量要求和无功损耗。当电机在额定转速的运行时，理论上其消耗的功率为额定功率，去除机械损耗电机铜、铁损等影响，节能效率接近40%，同时实现闭环恒压控制，使节能效率进一步提高。

（三）变频恒压供水设备系统组

1.变频器是整个变频恒压供水系统核心部分。系统组成（见图1）：

图1 变频器恒压供水图

图 1中，水泵电机是输出环节，转速由变频器控制，实现变流量恒压控制。变频器接受 PID控制器信号对水泵进行速度控制，压力传感器检测管网出水压力，把信号传给 PID控制器，PID控制器调节变频器频率来控制水泵转速，实现了一个闭环控制系统。

2.PID控制器

（1）设反馈通道选择VI(0～10V)，远传压力表的量程范围0～1Mpa

（2）接线：FWD与DCM闭合时变频器启动、MI1与DCM闭合时PID有效。（见图2）

图2 PID控制器调节器接线

低压变频器指输入电源电压为单相220V/三相380V的变频器。选型首先要考虑用途，选择通用型还是专用型，要尽量使系统的各种功能通过变频器来实现。其次应注意与其它电气元件的接口互联问题，要求系统结构合理紧凑。专用水泵变频器性能如下；

矢量控制：采用独特的矢量运算控制，内藏PID。

学习加减速：根据负荷自动调整适当的加减速时间，使加减速时间最短。

自动节电方式：在保证输出转矩的前提下，比选用标准的V／f曲线节能效果更好。

电压反馈控制：可使输出电压稳定，不随输入电压的变化而变化。

输入输出端子功能：可在数十种功能中进行可编程设定。

瞬停再启动功能：再启动时检测电机旋转方向和转速，平稳地再启动。

软失速功能：可在过载时不跳闸，降低输出频率继续运转。

瞬停不停控制：可在瞬间停电时继续维持运转l5ms以上。

状态监控；可显示l6种参数中的任意4种。如频率、电流、电压、功率等。

模拟量输出信号：可输出16种参数中的任意2种(频率、电流、功率等)。

PWM载载频率：最高可达17kHz，中小功率为l2～15kHz，真正静音，输电流波形中高谐波含量减小，载波频率的提高对带负荷能力的影响小。

完善的保护功能：防止过流、过压、过负荷、过热等，过载能力l20%—1min。

（四）节能效果计算

设水泵电机一台，配用 100kw电机，实际工作中供水流量12小时是全速另外12小时是只需30%。假设流量在100%～30%之间变化，设电机全速供水量为 Qn，空载损耗为0.1(Y0≈cosnt)。每天总供水量为 65%Qn则全速 P1=(100－100×0.1)kw=90kw。

a.变频时只需功率

P2 =(100×0.1+(65%)³×90)kw=34.7kw节约的功率：Pj=(90－34.7)kw=55.3kw

b.如果电费按 0.5元/kw小时计算，每年节约的电费

55.3 kw×24h×365×0.元/kwh=242214元=24 万元c.节电率= P2/P1=34.7/ 90=38.6%

（五）低压变频器技术使用原则

1.变频调速系统中电动机的选择：

变频调速系统主要包括异步电动机、变频器、控制环节、负载及传动机构。变频调速电机运行时不是电网供电，而是由变频器供电(变频调速运行时，电动机不是工作在该电机设计制造的额定工况)，会带来谐波、电磁干扰，也许会出现局部过电压、过电流等问题。选择电机容量时，应考虑以下因素：

a.电机的容量应大于负载所需的功率。

b.电机的最大转矩应大于负载的启动转矩，并要有足够的裕量。

c.若电源电压下降了10%时，电机仍能输出足够的转矩。

d.电机应在规定的温升范围内使用。

e.针对负载的性质，选择适合的电机运行方式。

（1）变频调速系统中电动机容量的选择：

电动机容量选择：电动机的容量—驱动负载所需的动力＋加速/减速所需的动力

（2）变频调速系统中电动机负载的选择：

驱动负载（水泵类负载）所需动力的计算：

（式中k——裕量系数，k＝1.1～1.2；ρ——液体的密度，kg/m3；Q——流量，m3/min；H——扬程，m；p——泵的效率，p＝0.6～0.83。）

2.变频调速系统中变频器的选择：正确选择变频器是系统安全可靠稳定运行的前提。根据负载机械的工作特性，结合对调速范围、调速精度和经济性的要求，可以选择不同种类的变频器来控制调速运行。采用v／f控制方式，适用于泵类负载场合。其节能效果显著，调速范围和调速精度较低，成本较低。

（1）变频器的规格和指标：a.型号/b.电压级别/c.最大适配电机/d.电源/e.控制特性

（2）变频器容量的选择：确定系统中变频器的容量时应考虑电动机的容量、电动机的额定电流、加速时间等几方面因素。对于连续运行的变频器必须同时满足（表）所列三项要求。

注：PM——负载要求的电动机输出功率，kW；η——电动机的效率，通常为0.85；——电动机的功率因数，通常为0.75；VE——电动机额定电压，V；IE——电动机额定电流，A；k——电流波形补偿系数，通常为l.O5～1.1。

（六）结论

采用变频器调速运行后，除了辅机设备实现统一控制；使水泵供水系统工作状态更平缓稳定外，还可以节能、带来可观经济效益。做到了资源综合利用、改善投资环境，符合国家提倡的节能减排方针政策，具有较好的社会效益与一定的经济效益。

[1] GB50015-2003,建筑给水排水设计规范[S].

[2] 查树编.叶片泵原理及水力设计[M].北京:机械工业出版社,1988.

TN773

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1008-1151(2011)06-0106-02

2011-03-09

成海（1962－），男，广东人，广西鱼峰水泥股份有限公司技术发展部电气肋理工程师。