水泵变频调速技术在水厂中的应用

李艳

摘  要：胜利石油管理局供水公司厂提升泵房担负着将水库来水向絮凝沉淀池输水的任务，随着用户用水量的变化，水厂出水量发生频繁波动。为调节清水池水位，提升泵房的输水量也随时发生变化，因此需要频繁调整机组或水泵出口阀门的开启度来调节水量和水压，不仅造成能耗的浪费，而且对后序混凝沉淀工艺冲击大。对提升泵房的水泵进行变频改造，通过调节水泵的转速调节输水量，节能效果显著，且对后序工艺冲击小，降低处理难度，实现良好的出水水质。

关键词：水泵;变频;节能;水质

中图分类号：TV734.4     文献标识码：A      文章编号：1006-8937（2015）02-0054-01

1  水厂工艺及提升泵房概况

1.1  水厂工艺流程

我厂于1991年11月投产运行，设计日供水能力20万 m3，目前日处理水量12万 m3/d。水厂常规水处理工艺分别为折板反应池+斜管沉淀池+V型滤池和立式微窝混合+小网格絮凝池+斜管沉淀池+V型滤池。

1.2  泵房工艺概况

水厂提升泵房目前共有水泵6台，3台离心泵3台潜水泵。1～3#为20SH-28离心泵，流量2 016 m3/h，扬程12.8 m，电机功率115 kW;4～6#为KRTK 500-540潜水泵流量2 200 m3/h，扬程7 m，电机功率67 kW。

1.3  提升泵房运行中存在的主要问题

1.3.1  水泵采用截流调节，水泵偏离高效区运行，耗能严重

近年来，随着外部用户用水量的下降和管网的优化调整，我厂的供水格局发生了很大变化，日供水量降到12万 m3左右，而且一天中不同的时段供水量相差较大。水厂在长期的实际运行中由于受供水峰、谷的影响，为了保证出厂水水质，水厂需要控制清水池水位在3.0 m左右，因此每天提升泵房需要通过开停泵、压阀门的方法来控制提升供水流量。造成了目前水泵与工况点的不匹配，偏离高效区运行，耗能严重。

水厂实际运行中，不同时段的用水量需求相差较大，只能通过增开水泵或调节阀门的开启度调整供水量和管压，阀门开启度调整范围为10%～100%。存在很大的能量浪费。具体表现在：

①关小闸阀，管路局部水头损失增加，管路系统特性曲线向左上方移动，水泵工况点也向左上方移动。闸阀关得越小，局部水头损失越大，流量也就越小，造成了大量电能浪费。

②通过阀门减小流量时，泵出口阀关小，则泵出口流量下降，扬程提高。较高的水压还造成管路、阀门等密封性能的破坏。加速了泵腔、阀体的磨损和汽蚀，严重时损坏设备、影响生产。近两年机泵维修增加，消耗维修费数万余元。

1.3.2  截流调节时突然增大的水量对沉淀池的影响

水厂反应沉淀池的工作原理是靠机械或水力搅拌使原水与混凝剂快速均匀混合后，通过接触、碰撞，形成肉眼可见的大的密实絮凝体，以便于后续沉淀池的颗粒沉淀作用过程。

在外部管网用水量需求增大时，提升泵房需要随时调整出水阀门开启度或增开一台水泵，水量的突然增大造成了对絮凝沉淀池的冲击，使得G值（速度梯度）增大，T值（絮凝时间）减小。絮凝池前端已形成的矾花颗粒絮体破碎，沉降性能减弱，末端出水浑浊，导致沉淀池出水浊度升高，滤池负担过重，进而影响出厂水的水质。为控制絮凝沉淀池稳定工作，在实际运行中，提升泵房开启第三台水泵流量增加时需长时间开启，阀门开启度缓慢增大，增加了工人的劳动强度。

2  提升泵房变频改造的实施方案

2.1  变频节能原理

变频调速是在频率发生变化后，电动机仍在该频率的同步转速附近运行，转速损失不增加的调速方式。所以变频调速是一种高效的调速方式。变频器的调速范围可达1%～100%，并在整个调速范围内具有较高的调速频率。变频调速方式尤其适合于调速范围宽、负荷经常变化运行的设备。

根据电机学的原理：异步电动机的转速与频率有以下关系：

n=60 fp（1～s）

式中：f为电源频率，s为电动机转差率，p为电动机磁极对数。

由式可见，电动机转速与电源频率成正比，所以改变电源频率即可改变转速，从而实现变频调速。

2.2  提升泵房原有设备状况

提升泵房在实际运行中，存在3台离心泵偏离高效区运行的现象，且运行时间长达20 a之久，设备老化，水泵效率下降。水厂技术人员使用BSC-3手持式泵效速测仪对1～3#水泵效率进行测试，测得水泵效率只有60%左右。日常运行基本采用4#、5#潜水泵，流量不够时增开6#潜水泵，其他作为备用泵。

2.3  实施方案

通过对水泵变频调速原理及水泵特性曲线的分析，水厂决定对提升泵房的两台20 sh-28离心泵进行改造，改造其中2#机组为变频运行机组，水泵流量1 667 m3/h，扬程7.6 m。3#机组为软启动，水泵流量1 260 m3/h，扬程7 m。改造完毕后，水厂有两套方案保证供水量。①正常情况下，运行一台变频泵一台潜水电泵，补充流量时再开启3#泵。②正常情况下，运行一台变频泵一台潜水电泵，补充流量时再开启5#或6#潜水电泵。

2.4  改造后运行效果

提升泵房2#、3#泵改造完毕后，开始试运行。机组搭配为运行2#离心泵和4、6#电潜泵，经过一段时间运行数据统计，提升泵房平均单方水电耗0.029 kWh/m3。在满足水量要求的情况下，我们认为此种搭配形式不够经济。决定改变提升泵房机泵组合搭配形式，启用3#离心泵替代6#电潜泵运行。通过运行数据显示，水厂这种机泵组合方式更加经济合理，水泵机组能够保持长期高效运行，单方水电耗大幅下降，统计单方水电耗下降为0.021 kWh/m3，节能降耗效果明显，经济效益十分可观。

变频改造后提高了系统的自动化程度，减少了操作量，减轻了工人的劳动强度。改造后的系统由运行人员对各运行的水泵或构筑物运行情况进行实时监控和调整。根据提升泵房在线流量计瞬时流量值，在满足系统的压力前提下，及时调节变频器的输出频率来调节泵的转速，实现供水量的实时调节。

改造后系统的能耗降低。改造前只能通过调节水泵的出水阀门的开度调节供水量，改造后通过调节泵的转速调节供水量。泵的转速变化定会改变轴功率的需求实现节能的目的。

由于电机为直接启动，启动电流等于（4～7）倍的额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且启动时产生的大电流和震动时对阀门的损害极大，對设备、管路的使用寿命极为不利。使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能，将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命，节省了设备的维护费用。

3  效益分析

3.1  经济效益分析

水厂提升泵房2、3#机组改造以来，设备运行良好，流量调节方式经济可靠。为摸清设备性能，发挥新技术的最大潜能，水厂技术人员对变频机组的运行进行了多次测量。改造前后的单耗分别为0.028 kWh/m3和0.021 kWh/m3。

年节省电耗：

W=（0.028-0.021）×4 400万m3/a=30.8万 kWh

每度电按0.60元计算，则每年可节约电费18.48万元。现低压变频设备价格约10万余元，根据估算节电效益和安装等费用，预期回收周期约7个月。

3.2  社会效益分析

由于机泵变频改造项目的实施，使絮凝沉淀池等后续工艺受水量的冲击减小，避免了沉淀池矾花的上浮现象的发生，使沉淀池出水得到了明显改善，降低了后续滤池工艺的处理难度，从而确保了出水水质。

参考文献：

[1] 仝庆居.变频调速技术原理及其在节能中的应用探讨[J].现代商贸工业，2009，（18）.