浅谈变频技术在污水输送泵站的应用及节能改造
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摘要：本文通过变频实现水位水量控制，降低能耗和低设备故障发生率，提高工作效率。并利用变频技术对水系统进行了节能改造，实现了水系统的节能高效运行。
关键词：变频 变频调速 节能
引言
随着人们对自身生活环境要求的不断提高，以及人们环保意识的增强，国家和社会对各种污染的治理越来越重视，由于水是有限的不可再生资源，所以对水污染的治理显得更加重要。城市的各种污水经收集系统管道汇集到泵站，通过污水泵的提升、加压，送给下一级泵站，最后到达污水处理厂。
在一般情况下，污水泵采用恒速交流电动机拖动，而现实中污水收集量却是随着居民用水量的变化而变化的；为了保证污水的正常排放，确保污水泵正常运行，工人要在现场经常调节挡板或阀门开度大小来控制污水的出水量，否则，只能通过频繁的开停水泵来实行污水的输送。这样做不仅增大了工人的劳动强度，而且有大量的电能浪费在水泵阀门阻力的损失上。因此就要求污水泵处于变工况运行，若利用变频器进行调速，以调节电动机转速的方法取代调节挡板或阀门，实现污水泵进出水流量持续稳定，提高水泵工作效率，则不仅可以减轻工人劳动强度，还能达到节约电能目的，对提高企业经济效益具有重要意义。
一 循环水泵变频效益分析
1 节电计算
理论分析
改造前，两台泵在50hz工频下运行，供水总量1250m3/h时每小时耗电251kw・h。改造后，由于1#泵出口阀全开，1#泵出口压力由过去的0.45 mpa降到0.30 mpa，其电流降到了150a，另一台泵出口压力仍为0.45mpa，其出口阀开度约1/4，电流190a，两台泵在同样1250m3/h流量下每小时耗电210千瓦时，即每小时节电41千瓦时，若按工业用电价格0.52元/千瓦时计算，全年可节约：41千瓦时/小时×24小时/天×365天×0.52元/千瓦时=186763.2元。变频器投资约1000元/千瓦，即13.2万元，即不到一年就可收回投资。
2 综合效益
(1) 变频软启动可以在限流(启动电流不超过电机额定电流)的同时获得大的启动转矩，可以实现包括软停止在内的各种启动功能，比原先的晶闸管软启动方式更先进可靠稳定。
(2) 由于频率降低转速下降，可减少电机轴承、泵体轴承、叶轮、密封的磨损，减少了维护量，降低了运行成本。
(3) 变频器具有完善的电机保护功能，延长电机的使用寿命，减少电机故障率，保证电机的高效安全使用。
(4) 启停平稳，减少对泵、管路的冲击，并且可消除水锤效应，延长止回阀和泵的使用寿命。
(5) 电机在空载和轻载运行情况下，功率因数较低。变频改造后，电机减速满载运行，可提高电机的功率因数，以致提高电网电能的利用率。
二 污水泵变频控制节能原理
1.改造实例分析
1.1设备选型不完善
就广州市大坦沙污水处理系统中西湾路沿线系统几个中途泵站设置的水泵而言，对生产规模没有准确定位，水泵系统所选用的设备均是按照污水的实际收集量的近期和远期目标进行考虑，随着近年污水处理率的不管提高，污水管线的建设不断完善，污水收集量的不断增加后，设备选型先得不尽合理，普遍存在大马拉小车的问题。
1.2设备控制方式落后
水泵设备(特别是离心泵)大量应用于城市污水处理系统中,由于工况需要长时间连续运行,电能消耗很大。而水泵电机设计是软启动器控制，无法随着工况需求动态调整水泵的运行频率。即便是居民用水低谷时期，水泵始终处于50HZ频率运行，造成电能的巨大浪费。
1.3设备损坏频繁
由于水泵运行频率无法动态调节，通过调节阀门控制流量流量的大小，当工况变化频繁时需要经常调节阀门，导致阀门密封件频繁损坏，并需停机进行更换；或者根据泵站集水池水位的高低变化而频繁启停水泵，对水泵本体及控制电气部分都造成损耗冲击，水泵的故障发生率就会很高，对生产运行造成了极大的影响，也造成了很大的资源浪费。
2.改造措施
通过对现有设备运行状况的分析，可通过利用变频技术的应用来维持水泵进出水流量的相对稳定，改善高故障率、高能耗的状况。
2.1变频技术节电原理
从流体力学的原理得知，使用感应电机驱动的水泵，轴功率P与水量Q，水压H的关系为：当电动机的转速由n1变化到n2时, Q、 H、 P与转速的关系如下:可见水量Q和电机的转速n是成正比关系的，而所需的轴功率P与转速的立方成正比关系。所以当需要80％的额定水量时，通过调节电机的转速至额定转速的80％，即调节频率到40赫兹即可，这时所需功率将仅为原来的51.2％。
2.2设备改型
以西湾路3#泵站潜水泵（飞力泵）为例，水泵额定功率为191千瓦，正常运行电流为310安培，潜水泵年平均运行时间为2800小时。由于原水泵电机由某进口品牌ATS系列软启动器控制，无法调节水泵运行频率，针对此弊端，采用变频控制，选用某进口品牌F740-220K系列风机、水泵专用变频器。
2.3控制方式优化
在原有上位机操作画面基础上增加远程频率调节功能，避免频繁调节阀门，造成阀门损坏；实现污水持续稳定输送处理。
3.改造效果
水泵加装变频器后，设备运行平稳，水泵流量基本与原流量一致。由此可见，潜水泵加装变频器的节能降耗效果显著。同时其相关的技术改造难度较低，可行性较高，
3.1高效节能，达到供需平衡
2010年间，大坦沙泵站1#-3#、6#-9#等7个泵站先后为水泵加装了变频器，经过长期运行和对数据监控发现，水泵加装变频器的节能降耗效果较为显著。以3#泵站5#潜水泵（飞力泵）为例，水泵额定功率为191千瓦，正常运行电流为310安培，潜水泵年平均运行时间为2800小时，每台水泵年消耗电能为
W1=UIT
=380V*310A*2800h
=329840000/1000(转化为千瓦/时)
=329840 度
潜水泵加装变频器后，45赫兹频率下运行电流为240安培，参照水泵年平均运行时间2800小时计算，年消耗电能为：
W2=UIT
=380V*240A*2800h
=255360000/1000
=255360 度
通过对比，潜水泵加装变频器后，年消耗电能（单台） 下降： W=W1-W2
=329840-255360
=74480度
按照大宗工业用电单价0.6849元/度计算，年节省电费为（忽略无功补偿不计）：
节省电费=74480X0.6849 =51011.352元
按照该项目总造价12.5万计算，加装变频器后约30个月节省下来的电费即可抵扣加装变频器的造价。
实际运行中往往是一台或两台水泵全功率运行，附加一台水泵变频运行，运行工频在35赫兹时，运行电流为160安培，单台变频水泵的耗电量可达到更低，对于投入成本的对扣可实现更短时间收回投资成本。
3.2提高功率因数，降低无功功率
由于原电机由工频驱动时，满载时功率因数为0.85左右，实际运行功率因数远低于0.8。采用变频调速系统后，电源侧的功率因数可提高到0.9以上，无需无功补偿装置就能大大的减少无功功率，满足电网要求，可进一步节约上游设备的运行费用。
3.3减少机械磨损，降低维修成本
采用变频调节后，由于通过调节电机转速实现节能，在负荷率较低时，电机转速也降低，主设备及相应辅助设备如轴承等磨损较前减轻，维护周期可加长，设备运行寿命延长；并且变频改造后阀门开度可达100％，运行中不承受压力，可显著减少阀门的维护量。
3.4减少启停水泵次数，提高工人工作效率
由于采用变频调解，水泵可实现长时间稳定运行，值班工人只需加强对集水池水位和水泵工况的监控，可减少水泵的启停次数，更加集中精力于运行控制的管理和调度，提高了工作效率。
三 总结
通过工业水泵变频改造的技术分析验证了水泵采用变频调速装置节能改造的潜力，而且还可降低运行人员的劳动强度，减少机械磨损，延长设备使用寿命，因此采用变频装置对风机、水泵进行节能改造在各行各业中都会有很大的实践空间，为工厂节能的同时也带来了经济收效。因此在2011年，下一步将继续推进其它泵站水泵加装变频器等节能降耗技改项目的开展。
参考文献：
[1]郭立君.泵与风机.北京.中国电力出版社.2001.
[2]孙传森.变频器技术.北京.高等教育出版社.2008
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