水泵变频运行节能技术研究

童乃武 上海铁路局合肥给水公司

水泵变频运行节能技术研究

童乃武 上海铁路局合肥给水公司

水泵在我国工农业建设中发挥着重要作用，而水泵效率是衡量水泵工作效能高低的一项技术经济指标。在实际运行中应尽力提高水泵效率，降低其能量损失，特别是电能损失带来的费用投入。对水泵变频调速的特性进行分析，介绍水泵节能调节主要方式及其变频调速原理，探讨了影响变频调速范围的因素，并结合水泵性能曲线方程，推导出水泵变频的能耗与节能率计算公式。

水泵；节能技术；变频调速；技术原理；影响因素

节能减排已经成为我国经济开发规划的首要内容，目前针对几大节能领域，如工业节能、交通节能和建筑节能等均提出了非常严厉的减排方案，其中工业节能是重点，而水泵作为是工业领域的主要机械设备被广泛应用，与此同时也成为了主要的能耗来源。水泵的运行主要消耗了系统的电能，约占全世界发电的20%，而其用电则占企业生产成本的80%。目前我国水泵的运行效率普遍较低，国产水泵的运行效率普遍比发达国家低5%～10%，实际使用效率则比发达国家低10%～30%，这说明要想有效开展节能减排，泵功率的提升成为需要解决的首要问题。

自80年代末以来，我国引进了变频控制技术，使水泵的节电技术得到快速发展。随后，在对进口样机的性能参数进行全面测量和记录的基础上，自主研制开发出了多个系列的变频调速水泵节能系统。本文对变频调速技术在水泵节能方面的应用进行了探讨，重点介绍了其技术原理、影响因素以及相关计算方法。

1 水泵变频调速节能原理

水泵的变频技术可根据系统整体的工艺要求，通过对压力、流量、温度等系统实际运行数据的监测，来优化电动机的电源输入频率，调整转速，控制输入功率，从而实现“所供即所需”。

变频调速技术是基于非直流马达的原理，变频水泵的耗电功率与其发动机转速呈正比关系：

在该公式中，f表示水泵电机运转过程的电流频率(Hz)；P表示电机里的极对数。通过对马达定子的绕组电流频率进行均匀化的改造，就能够实现马达同步转速的平滑变动；水泵电机的轴功率随马达转速的降低而减小，从而导致其输入电流功率的降低。

2 影响变频调速范围的因素

当使用变频调速的方法时，按照原工频状态设计的泵与电机的运行参数变化较大，水泵的调速范围也会受管路特性曲线、与调速泵并列运行的定速泵等因素的影响。如果调速超过既定范围，就不能够达到节能的目的。因此，变频调速一般是减速问题，并且不可无限制调速，应结合实际情况经计算确定。其调速范围一般大于额定转速的一半，最佳状态为75%~100%。

2.1 水泵工艺特点的影响

当水泵调速在高效区运转，处于工频高效两端位置时，其处在抛物线的中间区域OA1A2（图1）；一旦水泵运转的转速减小，水泵就不能正常工作，水泵效率也随之降低为PA1A2。当运转的情况点超出这些区域,就不适合采用调速节能手段，必须考虑其他的办法来加强调速作用，完成调速。如图所示，H0B为管路特性曲线，CB是水泵调速运行的高效区间。当C点位于曲线OA1上时，C点和A1点的效率相等。那么此时的C点就是在最小转速时水泵性能曲线高效区的左端点。

图1 水泵调速运行范围

2.2 定速泵的影响

在实际工程中，一般是将多台水泵并联进行供水。该供水系统不仅成本高，而且几台并联水泵的运行速度也很难进行统一调节，所以，往往需要采用调速泵和定速泵来进行混合供水。在该系统的运行过程中，值得注意的是，要使调速泵和定速泵的运行处于高效工作段中。此时，调速泵的调速范围受到定速泵的影响极大，具体分为两种情况：当使用同型号水泵一调一定并列运行时，调速运行的范围很小；当使用不同型号水泵一调一定并列运行时，则可使调速运行的范围大大增加。

2.3 电机效率的影响

我们知道，在系统工况一致的条件下，随着电机转速的降低，其轴功率也会迅速下降，但是如果电机的输出功率较其额定功率或者其实际工作频率较其工频差别较大，则会导致电机的运行效率迅速下降，从而影响水泵机组的总体效率。同时，当自冷电机在低速下长时间持续运转时，则会导致风量的不足，影响电机散热性能，进而对电机的运行安全造成隐患。

3 水泵的节能率计算

3.1 水泵的性能曲线方程

水泵变频系统的性能曲线，如扬程-流量（H-Q）、功率-流量（N-Q）、效率-流量（η-Q）等类似于抛物线状，其曲线拟合方程形式如下：

式中：Q---水泵转速为n时的流量（m3/h）；

H---水泵转速为n时的扬程（m）；

N---水泵转速为n时的输出功率（kW）；

η---水泵转速为n时的效率（%）；

k---水泵的转速比，k=n/n0。

3.2 水泵能耗计算

流量、扬程、运行时间以及水泵系统各环节的效率是影响水泵系统能耗的主要因素。因此，若要降低水泵系统的能耗，则可以采用减小流量、扬程，缩短其运行时间，或者提升系统各环节效率的方法。此外，为了提高变频调速水泵运行效率，若系统的工况属于低负荷段的话，需配置相应的低负荷流量定速泵。当系统负荷率较高时，运行变频调速水泵，当系统流量下降到一定程序时，关闭变频调速水泵，启动小流量的定速泵，这样更有利于运行节能。

3.2.1 水泵的输出功率

水泵的输出功率（即有效功率）是指单位时间内从水泵输出的流体所增加的能量，可用下列公式表示：

式中Ne--水泵输出功率（kW）；

ρ--液体密度（kg/m3）；

Q--流量（m3/s）；

H--扬程（m）；

3.2.2 水泵的轴功率

由于流体通过水泵时会产生一定损失，从而导致电动机传送到水泵轴上的输入功率，即轴功率增加，则水泵的输入功率可按照下列公式计算：

式中：N----水泵轴功率（kW）；

η---水泵的效率 (%)。

在水泵变频调速系统中，变频器的引入是为了调节电压的输入频率，以此来改变电机的转速。当转速改变时，变频器和电机也有一定的功耗，因此应当将变频器和电动机的效率考虑进水泵变频系统消耗的总能耗中，则该变频调速系统的总能耗为：

式中：ηm---电机的效率；

ηv---变频器的效率。

采用文献[13]公式计算电机效率ηm和变频器效率ηv：

3.3 水泵节能率计算

设水泵变频系统的初始能耗为N1，变频节能改造后系统的能耗为N2，则该变频节能系统的节能率为：

式中：λ---水泵变频系统的节能率（%）

将式（2）、（4）、（7）~（10）联立，得到水泵变频调速的能耗计算公式：

将上述公式中的中间变量消去，得到水泵变频调速系统总能耗的计算公式，为流量与转速比的函数:

4 结论

（1）变频调速是水泵在满足正常使用需求前提下的主要节能方法，其适用条件需根据用户需求，经计算后确定。

（2）与调速泵并列运行的定速泵选型是影响水泵变频调速范围的主要因素，调速与定速泵混合供水能够实现系统最优。

（3）通过分析变频调速的影响因素，结合水泵性能曲线、变频器与电动机效率计算模型等，推导出了水泵变频的能耗与节能率计算公式。

[1]靳卫华,张建斌,吴磊,供水系统中泵节能技术研究[J].通用机械,2011,9: 96-100.

[2]渠时远.我国水泵发展现状和节能的技术途径[J].通用机械,2011,6:14-21.

[3]邵国辉,赖喜德,孙见波.水泵节能的技术途径[J].中国水利,2008,4:67-68.

[4]郑少燕,水泵节能技术在水厂中的应用[J].给水排水,2003,29(9):66-68 [5]耿纪中,谭江.水泵节能技术及节能改造实例 [J].工业用水与废水, 2013,44(2):42-44.

[6]曾树人.变频调速技术在水泵节能中的应用 [J].甘肃水利水电技术, 2009,45(8):45-47.

[7]林灿铭,陈暖文.给水泵变频改造应用实例[J].广东电力,2010,23(3):76-79.

[8]王瑜瑜,刘少军.基于变频技术的水泵节能控制系统的研究[J].现代电子技术,2013,36(15):166-170.

[9]陈显俊.浅析变频水泵节能问题的分析探讨[J].科技向导,2014,14: 278.

[10]程斌,袁艳霞,郭海江.影响水泵变频调速范围及节能效果的因素[J].河南科技,2008，6:32-22.

[11]黄奕沄,张玲.压差控制水泵变频调节的工作特性探讨[J].暖通空调, 2006,36(4):75-78.

[12]王贵忠,赵莲芝.水泵变频技术在空调系统中的应用[J].内蒙古石油化工,2007,11:70-73.

[13]Michel A.Bernier,Bernard Bourret.Pumping energy and variable frequencydrivers[J].ASHRAE Journal,1999,41（12）：37-40.

责任编辑：宋 飞

来稿时间：2015-8-20