水泵应用中变频调速方案的选择

孟令柏

(中国恩菲工程技术有限公司 电气及自动化事业部，北京 100038)

水泵应用中变频调速方案的选择

孟令柏

(中国恩菲工程技术有限公司 电气及自动化事业部，北京 100038)

讨论了阀门和变频调速两种水泵流量调节方法，指出变频调速在水泵节能方面的优势。对变频投资回收年限公式进行了推导，并由其绘制了回收年限曲线，以此对变频调速方案的经济性给出直观的评价。由回收年限曲线可以看出，变频调速调节流量方式的经济性由流量调节比决定，调节比越大，经济效益越佳，反之则越差。

变频调速；水泵节能；经济效益

0 引言

水泵在工业中有着大量的应用，其节能意义重大。近年随着变频调速技术的成熟，其在水泵的节能与流量调节方面得到了大量应用[1-2]。由流量调节的基本原理可知，变频调速方式在节能方面具有优势。综合考虑变频器自身投资与节能效果，本文对变频调速方案的经济性及其影响因素进行分析，其结论用于帮助设计者判断采用变频调速方案的必要性。

1 两种调节方案对比

1.1 阀门调节方式

通过调节水泵出口阀门开度，改变管路特性，进而达到流量调节的目的。如图1所示，当阀门关小时，管道特性曲线发生变化，其与水泵特性曲线的交点(泵的工作点)由A点移至B点。此时Q变小，H升高。泵的轴功率为[3]：

N=QHγ/η

(1)

式中N—轴功率，kW；Q— 水泵流量，m3/h；H—水泵扬程，m；γ—流体重度，kg/m3；η—泵效率，%。

公式(1)中N正比于图1中各工作点横纵坐标所围成的面积。由图1可见，关小阀门在减小流量的同时，提高了扬程，其轴功率变化并不明显。而随着扬程的增加，水流阻力增大，增加了设备磨损。由此可见，仅通过调节阀门开度的方式调节流量，不仅造成了较大的能量损耗，且增加了设备维护的成本。

图1 阀门调节方式

1.2 变频调节方式

通过变频器改变泵的转速，从而达到调节泵出口流量的目的。如图2所示，当泵的转速由n1向下调至n2时，其工作点由A点移至B点。改变电机转速时，其效率基本不变，而流量Q、扬程H、功率N及转速n之间的参数变化如下[2]:

(2)

由图2可见，通过变频调速，在减小流量的同时轴功率明显下降。同时，随着扬程的减小，水流阻力减小，设备磨损得到改善。由此可见，变频调节方式在节能和设备维护方面具有明显的优势。

图2 变频调节方式

2 变频调速经济分析

变频器投资FP见公式(3)：

FP=PPKKNe

(3)

采用变频调速每年节约的成本Fj可由公式(4)给出：

(4)

变频器投资回收期TB可由公式(5)给出：

(5)

式中Ne—水泵额定轴功率，kW；KK—电机功率与泵轴功率的比值，%；PP—变频器单位功率价格，元/kW；ηP—变频器效率，%；Qe—泵额定流量，m3/h；Qt—泵实际流量，m3/h；Tn—泵年运行时间，h；Fd—电费，元/kWh。

下面根据某工程应用取实际数据如下：

PP：1200元/kW；KK：1.3；Tn：6500 h；Fd：0.5元/kWh；ηP：0.92；带入公式(5)得：

(6)

由上述例子可以总结一般规律如下：

(1)对于需要较大范围调节流量的水泵，变频调速方案具有绝对优势。

(2)如采用阀门调节方式，在水泵流量选型时应尽量减少富裕量，从而减小能量损失。

图3 变频投资回收年限曲线

3 结论

变频调速方式的选用需综合考虑自身的投资和其节能效果。本文对变频投资回收年限公式进行了推导，并绘制了投资回收年限曲线，由其可以对方案的经济合理性作出直观的评价。结果表明，变频调速带来的经济效益随流量调节比的变化而不同：流量调节比越大，采用变频节能的优势越明显。

[1] 张宗桐.变频器应用与配套技术[M].北京：中国电力出版社，2008.

[2] 林启华.泵与风机的变速节能[M].北京：水利电力出版社，1987.

[3] 关醒凡.泵的理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1987.

中铝公司成功试制出特大型弧形模锻件

中铝公司西南铝企业成功试制出特大型弧形模锻件，并顺利通过用户技术检测，填补了国内在此类锻件生产上的空白。特大型弧形模锻件主要应用于航空领域的关键件，对模锻工艺要求极高，是高技术含量和高附加值的加工产品。该产品的成功产出，为中铝公司生产超规格锻件产品积累了宝贵经验及可靠试验数据，进一步提升了中铝公司对我国航空航天特需材料的保障能力。

节能铜包铝管母线技术填补国内空白

中国工业节能与清洁生产协会在北京召开了“节能铜包铝管母线”科技成果鉴定会。

与会专家听取了广东日昭电工有限公司关于节能铜包铝管母线的研制技术报告、现场检测报告等，考察了成果样品和生产现场，并对样品做了额定电流温升和绝缘耐压水平试验。

经质询讨论，专家一致表示，日昭电工产品经电力工业电气设备质量检验测试中心对产品额定电流温升，绝缘耐压等性能试验，结果合格，技术性能指标符合：Q/BLRZ2—2013《节能铜包铝管母线》企业标准及相关国家标准的要求。产品经鉴定委员会测试小组现场抽测，结果合格；产品经SGS(通标标准技术服务有限公司能效与低碳服务部)评估，在4000A的条件下，铜包铝管母线与铜排相比节能效果明显。

鉴定专家表示，节能铜包铝管母线结构设计新颖，提高了铜的有效利用率，增大了导体载流的有效截面，使其额定电流温升降低至≤30K，另外，延长绝缘材料寿命，节省铜材，减轻导体重量，增强机械强度的优异效果。该成果填补国内空白，技术水平居国际先进。

六冶完成河北龙城煤综合利用项目反应窑安装

由六冶机电公司承建的河北龙城煤综合利用有限公司项目，顺利完成6.2 m反应窑的安装，标志着该项目施工的控制性环节顺利宣告结束。

6.2 m反应窑项目，是在世界上首次采用回转窑生产工艺，制炼煤焦油及贵重金属的新型炉窑，目前已获多项世界专利和几十项国家专利，是国家相关部门极力推荐的节能、环保的高科技项目。该反应窑的安装成功不仅对六冶公司首次安装此类大型炉窑，更对该项目的即将点火产生了积极影响。

六冶机电承建的施工内容包括反应窑内保温、内衬、内胆、辐射管及其支架的制作和安装，窑外设备及管道安装，涵盖了整个炉窑的全部施工工艺。六冶龙成项目全体员工，在多个环节通过创新施工压缩了大量工期，如测量放线施工，原定10天的工期仅用了3天，内辐射管支架的安装由于摒弃了落后的施工工艺而自行研究新工艺，使原定30天的工期缩短到了10天。内敷设管道由于长度较长(最长可达53 m)，数量庞大，而且需要整根穿窑，给后期的吊装工作带来了很大困难。项目部领导及时组织人员实地勘察，多方论证，最终解决了问题。

我国自主研制首套焦炉气制压缩天然气装置投产

由西南化工研究院与四川天科股份自主研制和设计的30000标立每小时焦炉气甲烷化制压缩天然气工业装置，日前已在河北邯郸市裕泰燃气有限公司投产。这是我国首套焦炉气制压缩天然气装置，可实现年减排二氧化碳90万t、年产天然气1亿m3。该项目开辟了我国重污染工业废气制备清洁能源的新途径。

目前，西南化工研究院、天科股份正与山西国新正泰、山西襄矿恒通等多家单位合作焦炉气甲烷化项目，已向10余家企业提供技术转让，为30多家企业提供项目可研报告。

十九冶集团承建全国最大烧结项目投产

2014年1月2日，十九冶集团承建的全国最大烧结项目——日照钢铁控股集团有限公司营口1×600 m2烧结机工程于当天下午顺利投产。

日钢营口600 m2烧结机工程位于辽宁省营口市老边区五矿规划厂区内，是适用于大、中型规模的烧结厂对铁矿粉的烧结处理黑色冶金项目。十九冶集团主要负责生产车间中的烧结室，配料室，一、二混合室的土建、设备安装，金属结构制作安装，车间内介质管线制作安装，给排水、采暖、通风除尘、热力管道等施工内容。

该项目自2013年2月26日开工后，十九冶集团先后保证了大型框架梁浇筑、钢漏斗吊装、圆盘给料机安装等节点的顺利完成，在后期又克服了严寒天气的不利影响，经过312天努力，最终在业主规定的投产时间之前完成施工任务。

五龙集团焦镁综合利用项目投产

2014年1月2日，随着第一炉1.1 t镁锭的出产，垣曲五龙集团110万t焦化和6万t镁合金综合利用项目正式投产。五龙集团焦镁综合利用一期项目总投资12.8亿元，于2010年11月开工建设，是五龙集团“焦—镁—电—硅—建材—镁合金深加工”循环经济产业项目的一期。项目全面投入运营后，每年可生产焦炭110万t、镁合金6万t、洗精煤150万t、煤焦油5.2万t等，实现产值30亿元。

目前，该项目日产焦炭800 t，达到国家二级标准，已累计产出焦炭2.6万余吨，产品销往江苏、河南等地。预计到2月底，项目可达到日产焦炭1000 t、镁锭40 t的生产规模。

中国兵器晋西铜业8项专利获授权

中国兵器工业集团公司晋西集团晋西铜业8项实用新型专利获得国家知识产权局授权。近年来，该公司大力开展技术创新工作，研发技术人员攻坚克难成功研发了铜板带侧弯检测装置、铜合金保温炉炉头箱控流装置、大卷带材钟罩炉退火的对流盘装置等8项技术。

其中，在改造大卷带材钟罩炉退火的对流盘装置上，科研人员通过分析决定在传统退火料盘基础上增加底盘侧部边圈的对流孔及隔板，改造后的装置使得气流在炉内大循环的基础上，增加了每个带卷自身的小循环，这样既加速了温度的平衡，又避免了退火后软态带卷材边部被扇形板磕碰的现象。此套对流盘装置保护了产品质量，提高了产品良品率，有效缩小了带卷不同位置的温差，保证了产品机械性能的均匀一致性，还可广泛适用于各种带材的罩式炉退火工序。

《直接氧化锌化学分析方法》通过审定

全国有色金属标准化委员会审定通过了水口山集团公司技术中心起草的《直接氧化锌化学分析方法》项目。

2012年底，根据国家标准化管理委员会和工业信息化部《关于印发直接氧化锌化学分析方法等15项标准任务落实会会议纪要的通知》安排，由水口山有色金属集团有限公司起草，国内9家单位参与起草验收《直接氧化锌化学分析方法》重新修订工作。《直接氧化锌化学分析国家标准方法GB/T4372.1～6-2001》已经使用12年，产品技术指标已做修订。

直接法氧化锌是以锌焙砂为原料直接焙烧制得的，含氧化锌量要求达到98%以上，主要杂质有铅、铜、镉、锰、铁。水口山集团公司技术中心于2013年初开始开展该项目，用了近一年的时间，进行方法研究、精密度试验、书写实验报告，并于2013年底参加了正式评审。水口山集团公司在修订中保留了原标准的内容，新增了原子吸收光谱法测定三氧化二铁量，ICP测定杂质的含量，进一步完善了该方法，使测定范围更广，实用性更强。试验证明《直接氧化锌化学分析方法》的测定范围和精度能够满足直接氧化锌的检测要求，达到了国际一般水平。

该标准的发布实施将规范直接氧化锌的分析检测方法，通过推广和应用，将能够满足直接氧化锌产品在生产和使用中的检测需要。

西南铝航空铝合金板材预拉伸机装备通过鉴定

由中国机械工业联合会组织，中国重型机械研究院股份公司、西南铝业、重庆大学等参与完成“12000吨航空级铝合金板材预拉伸机装备”项目的单位有关负责人参加了对西南铝“12000吨航空级铝合金板材预拉伸机装备”项目进行科技成果的鉴定会。

在考察12000吨拉伸机装备生产现场的基础上，鉴定委员会的专家们听取了项目科技成果报告，审查了相关资料，经过质询和讨论，对项目取得的成果给予了充分肯定，同时就项目今后的研究方向提出了意见和建议。

鉴定委员会一致认为，西南铝12000吨航空级铝合金板材预拉伸机装备经过两年多生产使用，设备运行稳定，性能可靠，批量生产出合格的航空铝合金厚板，使用效果良好，创造了显着的社会和经济效益。同时该项目取得了多项创新性成果，总体上达到国际先进水平，一致同意该成果通过鉴定。

辽宁忠旺集团两项技术获2013年度省科技进步奖

2013年度辽宁省科学技术奖评选结果揭晓：由辽宁忠旺集团独立研发的7XXX硬质铝合金直径582毫米圆铸锭制造技术获省科技进步奖二等奖，动车组用铝合金挤压型材加工技术获省科技进步奖三等奖。在此之前，7XXX硬质铝合金直径582 mm圆铸锭制造技术于2011年被认定为辽宁省级科研成果，曾获2012年辽阳市科学技术奖一等奖，2012年中国有色金属工业科学技术奖三等奖，2012年省级优秀新产品奖三等奖；动车组用铝合金挤压型材加工技术于2011年被认定为辽宁省级科研成果，曾获2012年省级优秀新产品奖一等奖，2012年辽阳市科学技术奖一等奖，2012年中国有色金属工业科学技术奖二等奖等荣誉。

7XXX硬质铝合金直径582mm圆铸锭制造技术适用于有色金属铝合金冶炼铸造业。7XXX铝合金是可强化热处理型高强铝合金，具有极高的强度和硬度、优良的理化性能及较好的耐腐蚀性、较高的韧性和焊接加工性等工艺特点，已被广泛应用于航空航天、交通运输、装备制造等多个领域，是实现交通装备轻量化、材料国产化的首选材料。

动车组用铝合金挤压型材加工技术主要适用于高速列车车体铝合金挤压型材的专项加工。动车组等高速列车专用型材是现代化高速交通运输工具的关键材料，同时也是装备轻量化发展的首选材料。产品断面结构复杂，属于高新技术产品。

河南鼎鑫镁业年产300万只镁合金轮毂项目开建

河南省林州市鼎鑫镁业科技公司年产300万只镁合金汽车轮毂项目在该市开发区开工建设。该项目是河南龙鼎铸业有限公司与美国诺思达国际集团签约的合作项目。林州市是中国铸造协会确定的“中国汽车铸造产业基地”。美国诺思达国际集团是专门从事汽车零部件生产和销售的国际知名企业，长期向通用、福特等国际知名大型汽车生产商供货

该项目采用先进的镁合金汽车轮毂制造工艺，总投资10亿元，一期投资2亿元，年产60万只。据了解，鼎鑫镁业公司订购的大型锻压机将于2014年6月交货，争取2014年“十一”前，安装调试完并试生产，力争年底产品投放市场。

宁夏能源铝业：400kA电解获“金牌电解系列”称号

宁夏能源铝业宁东分公司400 kA电解系列凭借吨铝铝液氧化铝单耗、氟化盐单耗、阳极毛耗、电解铝综合交流电耗、标准效应系数及铝锭99.70以上品级率六项考核指标均优于集团公司铝板块对标值的成绩，获得了集团公司2013年度金牌电解系列称号。尤其是电解铝综合交流电耗一项，在集团公司14个电解系列中位居榜首，较对标先进值低329 kWh/t-Al。

400 kA电解系列由沈阳铝镁设计研究院设计，于2011年10月30日全部投产。从通电投产、焙烧启动到生产运行，宁东分公司探索出了适合新型阴极钢棒结构电解槽的工艺控制思路和技术。

焙烧启动是保障电解槽能否高效运行的基础。分公司技术团队通过选择焙烧介质、合理调整焦粉配比、精心组织装炉作业、严密监测电解槽焙烧作业过程及确保各工序操作质量等措施，较好地解决了铝电解槽焙烧过程中炉膛温度升温不可控、炉膛温度不均匀等难题，为延长槽寿命和保持电解槽正常生产奠定了基础。电解槽进入启动后期，又采取强化新开槽管理、严格执行降电压计划及按照标准规范调整电解质成分等措施，为稳定电解槽技术创造了条件。

生产过程中，分公司以“稳定为前提，条件是基础，炉膛是根本，分子比是关键”为工艺控制路线，通过采取坚持低电压、低分子比工艺控制思路、加大把控力度、及时剖析各工区生产指标完成情况、推行精细化操作及优化基础管理、发挥技术人员智慧等措施，2013年，系列电解槽实现了安全平稳运行，各项经济技术指标处于集团公司内部最好水平。其中，电解槽平均电压3.902 V，电解铝铝产品综合交流电单耗13271 kWh/t-Al，铝液阳极毛耗489.0 kg/t-Al，铝液氟化盐单耗17.9 kg/t-Al，铝液氧化铝单耗1920 kg/t-Al，标准效应系数0.03次/槽·日，铝锭99.70以上品级率100%，在集团公司铝板块对标中，系列六项指标全部达到集团公司先进标准值，先进指标达标率100%。系列铝产品综合交流电单耗与2012年全国电解铝行业平均值相比，吨铝节电573 kWh。

3年来，400 kA电解系列还获得国家实用新型专利4项，其中，《节能型SY400预焙阳极铝电解槽研发与应用》项目通过中国有色金属工业协会鉴定，整体成套技术达到国际领先水平，并获得协会科技进步二等奖，成为国内电解铝示范工程。

铜冠机械公司研发出新型AT2000天井钻机

铜冠机械公司成功研发出安徽省第一台新型AT-2000天井钻机。AT-2000天井钻机适应于各种地下矿山及水利工程的大断面天井和溜井的掘进，是一种利用旋转钻进破岩成孔并能反向扩孔的井筒开挖机械，可一次性成形孔径2 m的天井，具有高效能、高质量、高效率等特点，其天井成孔效果好，偏斜率小，孔壁光滑。

AT-2000天井钻机的掘进方法与普通法、吊罐法、爬罐法以及深孔爆破法等相比，具有施工效率高、工期短、生产成本低以及安全性能高等优点。此外还解决了大高度天井带来的高温、通风不良等因素造成的人工无法施工的难题，改变了传统的开拓方法，节省了大量人力与财力。

(信息除署名外摘自检索)

SelectionofFrequencyControlSchemeforPumpApplication

MENG Ling-bai
(Electrical and Automation Department, China ENFI Engineering Corporation, Beijing 100038, China)

Valve opening control and frequency control are discussed for pump flow regulating, it is showed that the frequency control method has obvious advantages in energy saving. Capital pay-off time for converter and the relevant curve is deduced, which is used to appraise the economic performance. According to the curve, the economic performance is decided by the flow turndown radio, the larger the radio is, the greater the economic performance is.

frequency control；pump energy saving；economic performance

2014-01-16

孟令柏(1978-)，女，河北迁安人，工程师，硕士研究生，主要从事电气及自动化设计工作。

TM921.51

A

1003-8884(2014)02-0056-02