浅谈永磁电机驱动高效潜污泵的应用实践及认识

杨宇阳

(山东新汇建设集团有限公司，山东 东营 257091）

国家大力提倡节能产品和双碳经济，水泵电机在国民经济中应用最广泛，同时又是耗电最大的通用机械，具有巨大的节能空间。能源消耗日益严重，能源问题已成为必须面对和解决的问题，节能降耗迫在眉睫。流体在输送过程中，泵站的动力几乎全部用于克服流体表面摩擦阻力，泵在给排水工程中耗电量巨大，对自来水制水成本、污水处理成本等有较大的影响，一般城镇自来水厂泵站消耗电费约占制水成本的40%~70%，泵在城市污水处理中也是耗能较大的设备，因此，泵的节能降耗问题已成为泵行业亟待解决的关键问题之一。

1 技术背景及目标

随着城市化进程的加快，城镇污水处理厂不断增加，截止到2020年底，全国共有污水处理厂3000座左右，潜污泵耗能电费在城市污水处理厂中占有较大比重，目前在用的潜污泵，驱动电机采用传统异步电机，体积及重量较大，效率及功率因数较低，耗能高，水力部件没有进行优化设计，造成潜污泵运行效率偏低，尤其是不适合变工况运行使用，导致运行效率更低。

2021年10月29日工业和信息化部和市场监督管理总局联合发布的关于印发《电机能效提升计划（2021-2023年）》的通知（工信部联节〔2021〕45号）中要求：加快提升绿色设计能力。积极推进电机系统全生命周期绿色设计，鼓励通过电机性能优化、铁芯高效化、机壳轻量化等系统化创新设计，综合提升电机产品能源资源利用效率。优化风机、水泵叶轮尺寸和线型，大力发展与高效节能电机合理匹配的新一代风机、水泵产品。细分负载特性及不同工况，针对风机、水泵、压缩机、机床等通用设备，鼓励采用2级能效及以上的电动机，针对变负荷运行工况，推广2级能效及以上的变频调速永磁电机。推动风机、泵、压缩机等电机系统节能技术研发，加快应用离心式风机、水泵等二次方转矩特性类负载与高效节能电机匹配技术、低速大转矩直驱技术、高速直驱技术、伺服驱动技术等，提高电机系统效率和质量。进一步优化电机控制算法与控制性能，加快突破永磁电机效率最优控制和无位置传感器磁阻电机参数精确辩识等技术。

提升潜污泵的运行效率非常必要，必须改进潜污泵的驱动电机性能效率，大幅提升、优化水力部件性能，必须研制高效永磁电机驱动潜污排水泵，符合高效节能的总体要求，能够达到2级能效标准以上，新研制应用的永磁驱动高效潜污泵可以满足以上要求。

2 永磁电机驱动高效潜污泵的技术特点

2.1 主要部件构

永磁电机驱动高效潜污泵，是一种由高效永磁潜液电机与优质水力部件优化组合的新一代高效输送设备，采用智能变频控制系统驱动控制，是目前唯一能达到水泵一级能效标准的泵类设备。

图1 高效潜污排水泵总成图

图2 永磁驱动电机与异步电机效率对比图

2.2 永磁驱动电机性能技术特点

永磁电机采用永磁体生成电机的磁场，无需励磁线圈也无需励磁电流。永磁驱动电机转子采用无励磁电流设计，同步运行，温升更小；通过定、转子的磁场设计改变及变频器稳定的正弦波矢量控制，电磁噪音低，过载能力强、高效区间宽，永磁同步电机配套智能变频控制，在25%~120%额定负载范围内，保持高效率平稳运行；永磁驱动电机重量轻、体积小、运行稳定、可靠性高，同等性能条件下较三相异步电机体积及重量减少20%~30%,额定效率可达最新国标的1级能效等级标准，较三相异步电机提高3%~10%；功率因数0.95以上，用电量较传统异步电机节省10%~30%，节能效果明显。

2.3 水力部件性能技术特点

对于污水泵，由于被输送的介质中常含有易产生缠绕或聚束的纤维物，使污水泵的流道容易堵塞，一旦堵塞严重，导致泵不能正常工作，甚至烧坏电动机。新型高效潜污排水泵的泵体部件采用独特的单片或双流道叶轮结构，提高了介质中污杂物通过能力，通过能力强，能有效通过泵口径的5倍纤维物质或直径为泵口径约50%的固体颗粒。叶轮材质采用2Cr13不锈钢材质，具有较好的耐磨性能，性能稳定。水泵与电机之间采取双端面机械密封，采用新型硬质耐腐的碳化钨材料，具备耐振性、寿命长、功率损失小的机械密封，保证其连续使用寿命，每个固定止口密封处采用“O”型耐油橡胶密封圈静密封。

图3 泵体外形图

图4 潜污泵工作及停止液位控制示意图

2.4 控制系统技术特点

2.4.1 控制系统性能技术特点

泵组设置有高精度漏水检测传感器、热敏感应元件，将内部漏水、过温信号反馈于控制系统，通过监控泵组工作数据分析判断并实现报警、停机、断电等指令，实现运行中出现异常情况的保护，使泵组更安全可靠运行,控制系统具备以下功能。

（1）具备远程和本地控制能力。

（2）故障报警和主动停机。

（3）远程视频监控功能。

（4）信息管理平台对接，实现数据实时传输。

2.4.2 泵组启停控制方式

通过浮球开关方式，根据浮球高低位置产生液位信号，液位信号主动触发控制系统，控制泵组的启停，实现自动运行。

（1）通过接入高低水位浮球开关，利用其浮起状态闭合触点信号来控制水泵启停。

（2）浮球开关安装在安装导杆上，高、低水位由客户指定。

（3）当液位高于高水位开关时，触发水泵工作，直至液位低于低水位开关时才停机。

（4）当液位低于低水位开关时，触发水泵停机，直至液位高于高水位开关时才能开机。

3 新型高效潜污泵应用分析

3.1 应用案例

新型高效潜污排水泵已在长沙某污水处理厂、株洲某污水处理厂、阿联酋某海水淡化等项目中成功使用，实际运行效果较好。泵组设置有高精度漏水检测传感器、热敏感应元件，将内部漏水、过温信号反馈于控制系统，通过监控泵组工作数据分析判断并实现报警、停机、断电等指令，实现运行中出现异常情况的保护，使泵组运行更安全可靠，实现智能控制、全程监控。

图5 长沙某污水处理厂扩容(四期)项目现场使用图

图6 株洲某污水处理厂现场使用图

3.2 应用效果分析

对比同等条件下的：流量：3500m³/h，扬程：16.5M，配套电机380VAC/220KW/50Hz的高效潜污排水泵与国外某品牌潜污泵综合性能参数，如表1所示。

表1 高效潜污泵与国外常规同型号排水泵性能参数对比表

从上述性能参数对比可以得出：同等流量和扬程工况下，高效潜污泵效率要高约3%；功率因数要高15%，永磁同步电机效率要高约3%，额定工作电流要小20%，泵组计算综合节能率达25%以上，且采用智能变频启动控制电流小于额定电流，无大电流冲击，保证了泵组的可靠运行，减少对电气设备及电网损害。

在同等流量和扬程规格下，与常规潜污泵所配套的电机输入功率对比，新一代永磁潜污泵根据水泵优化设计及高效率永磁同步电机驱动，选用的配套功率要比传统异步电机降低1~2个等级规格，输入功率节省15%~30%，较常规潜污泵更节能。

2020年12月，住房和城乡建设部科技与产业化发展中心主持召开了“永磁电机驱动高效潜污泵”系列产品建设行业科技成果评估会。评估委员会专家一致认为：永磁潜污泵达到了国际先进水平，具有良好的推广应用价值。

4 进一步改进提升措施

4.1 配套变频器的提升措施

永磁电机过载能力强，为确保潜污排水泵的稳定运行及控制系统的可靠稳定，匹配的变频器功率尽可能比潜污排水泵驱动永磁电机大一个功率规格,选用过载能力强、抗冲击能力强的产品。

4.2 保护功能的提升措施

在潜污排水泵实际应用中，如果出现电机电流过大，使电机温度过高，将导致永磁体退磁，使电机性能降低，甚至无法使用，因此，在实际应用中，加强使用运行的管理维护，不能超负荷运行使用，加强保护系统的维护，确保过载过流保护功能的完好，若出现异常问题，及时停机报警。

4.3 机械密封性能的提升措施

由于污水，是弱碱、弱酸性液体，潜污排水泵长期浸泡在其中，具有一定的腐蚀性，对机械密封中的橡胶件应选用耐弱酸、耐弱碱的氟橡胶。由于污水中含有一定量的固体颗粒，应选用耐颗粒冲击摩擦的碳化钨摩擦副机械密封。

5 结语

随着国家城市化率的不断提高，城市污水的产生量会不断增加，一方面要大力倡导节水减排；另一方面，要不断加大污水处理效率，降低能耗。永磁电机驱动潜污泵是降低污水处理厂能耗的重要途径，必将在城市化率不断提高、节能减排、绿色发展总要求不断加强的大趋势下，发挥越来越大的作用。