变频泵组合运行方式和节能分析

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变频泵组合运行方式和节能分析

（1 南京市自来水总公司用户服务中心，南京210004； 2 南京市自来水总公司上元门水厂，南京210015） 摘要：论述了变频泵的组合运行方式和节电效果。结合上元门水厂的实测数据，对比分析了１台泵工频运行与２台变频泵组合运行的耗电情况，以及１台泵变频运行与２台变频泵组合运行的耗电情况。结果表明，当变频幅度较小时，１台泵变频运行，不如变频幅度较大的２台变频泵组合运行节电；随着变频幅度逐渐加大，１台泵变频运行节电率逐步接近２台变频泵组合运行。２台变频泵组合运行拓展了变频泵的适用范围，更加充分地发挥了变频泵的调节功能和节能效果。 关键词：变频 运行方式 组合 节能效果 1 水泵节能方式 离心式水泵节能主要是利用相似原理来改变水泵特性曲线——切削水泵叶轮和水泵变频调速。切削水泵叶轮适用于水泵运行工况比较稳定的场合；水泵变频调速适用于水泵运行工况变化较大的场合。采用水泵变频调速或叶轮切削方式，取决于水泵运行的实际工作点变化的大小；在节能效果方面，主要取决于水泵运行效率是否提高。 水泵变频调速运行扩展了离心泵的有效工作范围。在节能效果方面，水泵调速范围和运行方式的确定，对变频调速的节能效果起着决定作用。目前对调速范围研究较多，其实水泵调速运行方式的节能效果大有潜力可挖。 2 水泵变频调速 2.1 变频调速原理 当离心式水泵转速改变时，其特性曲线即随之变化。改变水泵转速，即能改变水泵的特性，达到调节水泵的扬程、流量、轴功率的目的。在一定的变频调速范围内，水泵的参数遵守相似原理： Ｑ1/Ｑ2=ｎ1/ｎ2（1） Ｈ1/Ｈ2=（ｎ1/ｎ2）2（2） Ｎ1/Ｎ2=（ｎ1/ｎ2）3（3） 式中Ｑ1，Ｑ2——工况1，工况2的水泵流量，m3/s； ｎ1，ｎ2——工况1，工况2的水泵转速，r/min； Ｈ1，Ｈ2——工况1，工况2的水泵扬程，m； Ｎ1，Ｎ2——工况1，工况2的水泵轴功率，kW。 从理论上讲，转速降低10%，水泵流量减少10%、扬程降低19%、轴功率降低27.1%。由此可见，降低水泵转速将引起轴功率大幅度降低。 2.2 变频调速范围 调速只改变水泵的特性，并不能改变管路特性，变频泵转速调节在一定范围内，水泵特性遵守相似原理按比例变化。当水泵转速过小时，水泵的效率将急剧下降，超范围调速难以实现节能的目的。 从理论上讲，由于变频泵一般处于降速状态，在选择水泵时，若能使调速泵在额定转速时特性曲线高效段右端点的扬程与定速泵高效段左端点的扬程相等，则可实现最大范围的调速运行；实践中，采用同型号定速水泵和调速水泵的供水系统也比较常见。在供水系统中，二级泵房的调速运行方式接近于恒压变流量系统，恒压供水减少了因系统压力升高而增加的功率损失，提高了供水系统的稳定性；一级泵房的调速运行方式接近于恒流量变压系统，水泵总扬程随吸水（源水）水位变化。这两种运行方式对变频泵的调速范围的确定有所不同，需分别根据流量和总扬程的变化区间确定调速范围。 变频泵节电率的大小取决于水泵富余扬程的大小或流量变化幅度，变频泵调节深度（取决于变频泵的工作特性，一般为７０％～９０％）对节电率有很大影响。调节量过小或过大都会影响变频泵的节电效果，在实际运行中要根据水泵工作点的变化，确定机组运行方式和机组搭配，使变频泵在合理的调节范围内高效运行，充分发挥变频泵的水量调节功能和节能能力。 2.3 变频调速节能效果的影响因素 在相似工况下，随着水泵转速的下降，轴功率会急剧下降，但若电机输出功率过度偏移额定功率或者工作频率过度偏移工频，都会使电机效率下降过快（感应电机效率一般随负载的变化而变化，当１/４负载时，效率７８％；１/２负载时，效率８５％；３/４负载时，效率８８％），水泵工作点过度偏离高效区，使水泵效率下降过快。最终都影响到整个水泵机组的效率。而且自冷电机连续低速运转时，也会因风量不足影响散热，威胁电机安全运行。 2.4 供水系统的运行方式 调速泵与定速泵并联运行的混合供水系统，１台变频泵调节与多台变频泵组合调节的运行方式相比，变频泵有效调节范围和节电率不同。采用２台或２台以上变频泵组合替代定速泵运行，以变频泵为主力机组，可大范围地调节水量，减小管网压力（或总扬程）的变化幅度，减少因供水压力上升而增加的功率损失，充分发挥变频泵的节能能力，提高供水系统运行的灵活性，实现系统的稳定运行。 多台变频泵组合运行方式具有以下优点：① 增大供水系统可调范围，提高系统运行的灵活性；② 节约大量电能，降低供水成本；③ 降低水泵电机的转速，减少电机和水泵的启动冲击和机械摩擦、振动，延长机组的使用寿命；④ 供水压力稳定，增强系统安全性和可靠性。 3 实例分析 3.1 现状 上元门水厂西厂区是专为玄武湖提供冲洗水的水厂，设计生产能力为８万ｍ３/ｄ。一泵房现有３台２０ＳＡ－２２Ｂ水泵，额定扬程１４ｍ，其中１＃、２＃泵为变频泵。由于长江水位年变化幅度大（年水位落差可达６ｍ），水泵总扬程年变化幅度约４０％。在长江枯水位期，水泵进水量不足，利用二泵房变频泵减负荷运行，一泵房单位电耗高。 水泵总扬程变化幅度越大，工作点的偏移量就越大，水泵长期在低效区运行，变频节能潜力就越大。在长江枯水位期，自２００６年１月起，试验变频泵组合运行方式，在水泵总扬程年变化的全范围内实现了变频泵的连续调节，摸索出在不同的水位时变频泵组合运行和１台泵变频运行两种运行方式的适用范围，最大限度地实现变频泵的节能效果。 3.2 变频泵组合运行方式 运用一泵房现有的２台变频泵，调整一泵房机组运行方式，即以２台变频泵组合运行替代原１台工频运行的水泵，２台变频泵随水泵总扬程的变化，实时调整运行工况，在一定的频率调节范围内，效率明显提高，一泵房单位电耗大幅度降低。 3.3 节能分析 变频泵在运行中，由于水泵的工作点不断变化，功率随之变动，按比率公式仅可以较准确地估算调速水泵的节能量。运行结果证明，当水泵工作点在特性曲线比率变化区间内，按此估算的节能量与实际运行数据较为吻合。但是水泵总扬程和水量调节量变化幅度越大，偏离高效区越远，其准确性越低。在实际运行中，由于水泵在不同工况点的效率不同，２台变频泵频率的不同搭配方式对节电效果有一定影响，试验表明，在２台变频泵频率接近或相同时节电效果较好。 表１为１台泵工频运行和２台变频泵组合运行方式的数据对比。从表１可以看出，采用２台变频泵组合替代原１台泵工频运行后，水泵系统效率明显提高，供水单位电耗随水位（总扬程）变化而大幅度变化。一泵房采用２台变频泵组合运行方式调节后，供水单位电耗下降１７．９２％～４１．８％。 表２统计了随着水位上涨（总扬程逐步减小），变频幅度逐渐加大，２台变频泵组合替代１台变频泵运行节电率的变化过程。从实际运行数据可以看出，在１台泵变频幅度较小时的节电效果，没有变频幅度较大的２台泵组合变频运行时明显；随着变频幅度逐渐加大，１台泵变频节电率逐步接近于２台泵组合变频运行时的节电率，２台变频泵组合在深度变频时，水泵效率逐渐下降，功率已不按比例变化，但仍然节电。 表１和表２为两种运行方式工况基本相同时的数据对比。在相似工况条件下，２台变频泵组合运行，平均频率在４５Ｈｚ时的单位电耗比１台泵工频运行低１７．９２％；平均频率在４２．５Ｈｚ时单位电耗比１台泵工频运行低３２．２５％；平均频率在３８Ｈｚ时的单位电耗比１台泵工频运行低４１．８％，比１台变频泵运行（平均频率４７Ｈｚ）时的单位电耗低３６．７４％；平均频率在３５Ｈｚ时，比１台变频泵运行（平均频率４２Ｈｚ）时的单位电耗低１．２８％。统计数据表明，变频泵在频率调节达到一定的幅度时，节能效果明显。２台变频泵组合运行方式大大地拓展了变频泵的适用范围，充分发挥了变频泵的调节功能和节能效果。 3.4 运行区域的确定 水泵调速后的节能效果取决于水泵轴功率降低的幅度与水泵效率的变化及电动机效率降低的幅度。实际运行中按变频泵调速运行的节能效果可以划为３个区域：① 高效节能区域。频率降低到一定的幅度，变频泵在高效区内运行，节电率高。② 低效节能区域。频率的调节幅度小，节能效果不明显；频率超范围调节，变频泵的工作点逸出高效区，水泵效率下降，但节约的轴功率大于因转速降低引起电动机和水泵效率下降所消耗的功率。③ 低效耗能区域。频率调节过度，变频泵在低效区内运行，且因转速降低，水泵效率急剧下降，节约的功率小于因转速下降引起电动机和水泵效率下降所消耗的功率之和。