污水廠(chǎng)并聯(lián)提升泵應用變頻調速裝置節能探討

1 概述

我國是一個(gè)能源短缺的國家，因此在污水處理廠(chǎng)中節約能源、降低消耗尤為重要?！吨袊澞芗夹g(shù)大綱》提出水泵風(fēng)機類(lèi)應最大發(fā)揮其節能作用的要求，污水處理廠(chǎng)提升泵站中的設備是污水處理廠(chǎng)中的主要耗能設備，對其進(jìn)行變頻調速技術(shù)改造，既可實(shí)現無(wú)級調速，又可實(shí)現節約能源、降低消耗，還可減少設備的開(kāi)停次數，從而延長(cháng)設備使用壽命，并可解決由于工程實(shí)際運行規模與設計規模不一致帶來(lái)的運行過(guò)程的偏差。因此變頻調速技術(shù)在污水處理廠(chǎng)提升水泵的控制及運行中得到越來(lái)越廣泛的應用。

設置提升泵的目的是提高水頭，由于選擇水泵時(shí)均按最大流量下選擇水泵參數，但在大多數情況下水泵并不需要達到滿(mǎn)負荷運行，因此水泵也無(wú)法達到最佳工作點(diǎn)，而且一般均為多臺水泵并聯(lián)運行，選擇水泵參數時(shí)均偏大，因此變頻調速裝置的正確選用尤為重要。

2 多臺水泵并聯(lián)運行的特點(diǎn)

一般限于節省投資的考慮，污水處理廠(chǎng)提升泵均采用變頻泵與工頻泵并聯(lián)運行方式，如圖1 所示。

現在就分析一下提升泵并聯(lián)運行的一些特點(diǎn)。

2.1 理想狀態(tài)下的水泵并聯(lián)

圖1中，N0為工頻泵的性能曲線(xiàn)，工頻泵單泵運行時(shí)的工作點(diǎn)為A，揚程為hA，流量為qA;N1為變頻泵單泵正常調速中的性能曲線(xiàn)，運行時(shí)的工作點(diǎn)為 B，揚程為hB，流量為qB;N2為變頻泵單泵速度最低時(shí)的性能曲線(xiàn)，運行時(shí)的工作點(diǎn)為D，揚程為hD，流量為qD;M1為工頻泵(N0)和變頻泵(N1)并聯(lián)時(shí)的管網(wǎng)總的運行曲線(xiàn)，運行時(shí)的工作點(diǎn)為C，揚程為hC，流量為qC0;M2為工頻泵(N0)和變頻泵(N2)并聯(lián)時(shí)的管網(wǎng)總的運行曲線(xiàn)，運行時(shí)的工作點(diǎn)為A，揚程為 hA，流量qA。F0為理想的管網(wǎng)阻力曲線(xiàn)。理想狀態(tài)下的水泵并聯(lián)曲線(xiàn)應該是根據流量的變化沿管網(wǎng)阻力曲線(xiàn)F0平滑滑動(dòng)的一組曲線(xiàn)。

2.2 實(shí)際狀態(tài)下的兩臺水泵并聯(lián)

在實(shí)際工況中，大多數是工作在兩條性能曲線(xiàn)N0和N1下，從性能曲線(xiàn)圖中可以看到，并聯(lián)后的總揚程hC>hA，且hC>hB，同時(shí)管網(wǎng)總流量qC 0=qC1+qC2qA，qC0>qB。隨著(zhù)變頻泵速度下降，其性能曲線(xiàn)在圖1 中沿F0 向左下方偏移，管網(wǎng)總曲線(xiàn)也同樣沿F0向下偏移。當變頻泵速度降到N2時(shí)，管網(wǎng)的性能曲線(xiàn)是臨界曲線(xiàn)M2，此時(shí)的管網(wǎng)總揚程和工頻泵的揚程相等，而不是理論分析的稍大一些。這時(shí)由于管網(wǎng)總流量和工頻泵單泵運行時(shí)的流量相同，工頻泵相對于變頻泵時(shí)其輸出流量有一個(gè)增量，可能出現過(guò)載。變頻泵由于最大揚程低于管網(wǎng)總揚程，表現出來(lái)的實(shí)際情況為變頻泵不出水。此時(shí)變頻泵還在工作，消耗一定的功率，變頻泵的效率降到了最低。因此，在設定變頻器頻率時(shí)一定要有一個(gè)下限頻率fmin，以此來(lái)避開(kāi)這種低效區。下限頻率的設定一般可根據實(shí)際運行工況設定。

2.3 多臺水泵并聯(lián)

多臺工頻泵和一臺變頻泵并聯(lián)運行時(shí)，變頻泵性能曲線(xiàn)下移至N2時(shí)，管網(wǎng)曲線(xiàn)應該在N2之上，變頻泵頻率下限fmin比兩臺泵并聯(lián)時(shí)要高。因此，管網(wǎng)并聯(lián)的泵越多，節能的空間越少。

3 多臺水泵并聯(lián)運行的變頻節能解決方案

污水處理廠(chǎng)實(shí)際的應用場(chǎng)所絕大多數均為多臺水泵的并聯(lián)運行，因此需要很好地解決并聯(lián)水泵的調速問(wèn)題，才能有效地節能。

由流體學(xué)相似定律可知，轉速與流量成比例，而功率與流量的三次方成比例。由于水泵采用轉速控制時(shí)，當流量減小時(shí)，所需功率近似按流量的三次方大幅度下降。例如轉速下降到80%，流量也下降到80%時(shí)，則軸功率下降到額定功率的51%，由于下限值越低，節能效果越明顯，但不能單純考慮節能，必須考慮多臺水泵并聯(lián)所帶來(lái)的多方面的影響，實(shí)際下限頻率的設定應根據水泵本身的性能曲線(xiàn)、并聯(lián)水泵的臺數、管網(wǎng)阻力的變化、變頻器本身的特性等多方面因素確定，一般在試運行時(shí)根據實(shí)際工況確定，實(shí)際運行中設定值一般在40 Hz左右。

3.2 合理選擇變頻水泵

在實(shí)際工程中，一般選擇工頻泵與變頻泵參數一致，但根據以上的性能曲線(xiàn)分析可知，相同性能曲線(xiàn)的工頻泵與變頻泵并聯(lián)，變頻泵調速范圍很小，節能效果并不明顯，因此選擇變頻泵時(shí)應當盡量選擇揚程較大的泵，可更好地利用變頻器的節能特性，但這種方式使水泵的互換性差。

3.3 多臺變頻泵并聯(lián)運行

分析并聯(lián)水泵的性能曲線(xiàn)知，多臺變頻泵并聯(lián)運行，可有效地解決工頻泵與變頻泵并聯(lián)時(shí)由于揚程不同帶來(lái)的對變頻泵范圍的限制，可采用根據流量及揚程參數同時(shí)調節水泵曲線(xiàn)，實(shí)現最大范圍的節能效果。因此在實(shí)際工程中，盡可能多地選擇多臺變頻泵并聯(lián)是比較合理的方式，只是這種運行方式的初期投資比較高。

3.4 合理設定水泵水池液位

在實(shí)際運行時(shí)，若能使水泵水池保持在高水位運行，就可有效降低水泵的實(shí)際揚程，在保證提升水量的前提下降低能耗，并且也有利于工頻泵與變頻泵的并聯(lián)使用。

4 變頻器節能理論計算

以下針對某污水廠(chǎng)7臺(6 用1 備)90 kW 提升水泵進(jìn)行理論上的節能計算。

1)當僅有1 臺變頻水泵運行時(shí)，假設電動(dòng)機轉速的變化為70%～100%，則水泵流量變化范圍也為70%～100%，根據功率與轉速的三次方成正比的關(guān)系，可知，理論計算功率變化為34.3%～100%，實(shí)際因為要保證水泵的揚程，工作點(diǎn)必然偏移，大量的實(shí)際運行數據顯示，節電效果在0～50%之間。保守估計，假設一年中水泵有1/5 時(shí)間運行在70%的額定流量下，其他時(shí)間為100%運行，年運行小時(shí)數按6000算，則針對90 kW 出水泵來(lái)說(shuō)，一年的節電量為W=90×0.5×6000×0.2=54 000 kW·h。

2)當采用1臺定速水泵與1 臺變頻水泵并聯(lián)運行時(shí)，變頻泵受定速泵揚程的影響，電動(dòng)機轉速的變化為85%～100%，則流量變化范圍也為85%～100%，理論計算功率變化為61.4%～100%，實(shí)際因為要保證水泵的揚程，工作點(diǎn)必然偏移，根據大量的實(shí)際運行數據顯示，節電效果在0～20%之間。保守估計，假設一年中水泵有1/5時(shí)間運行在70%的額定流量下，其他時(shí)間為100%運行，年運行小時(shí)數按6 000算，則針對90 kW 出水泵來(lái)說(shuō)，一年的節電量為W=90×0.2×6 000×0.2=21 600 kW·h。

3)當采用兩臺定速水泵與1 臺變頻水泵并聯(lián)運行時(shí)，變頻泵受定速泵揚程的影響，電動(dòng)機轉速的變化為90%～100%，則變頻水泵流量變化范圍也為90%～100%，理論計算功率變化為72.9%～100%，實(shí)際因為要保證水泵的揚程，工作點(diǎn)必然偏移，根據大量的實(shí)際運行數據顯示，節電效果在0～10%之間。保守估計，假設一年中水泵有1/5 時(shí)間運行在70%的額定流量下，其他時(shí)間為100%運行，年運行小時(shí)數按6 000 算，則針對90 kW 出水泵來(lái)說(shuō)，一年的節電量為W=90×0.1×6 000×0.2=10 800 kW·h。

根據以上分析可知，當提升水泵采用兩臺調速泵、4 臺定速泵(還有一臺備用)運行時(shí)，年節電約為W=10 800×2=21 600 kW·h;當提升水泵采用3 臺調速泵、3 臺定速泵運行時(shí)，年節電約為W=21 600×3=64 800 kW·h;當提升水泵全采用調速泵運行時(shí)(考慮多臺泵并聯(lián)運行效率有所下降，取0.8 的系數)，年節電約為W=0.8×54 000×6=259 200 kW·h;按每kW·h 0.6 元計，則一年節約259 200×0.6=155 520元，約15.5萬(wàn)元。因水泵容量較大，定速泵啟動(dòng)方式采用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)，考慮變頻器與軟啟動(dòng)器的差價(jià)約為4萬(wàn)元，則增設5臺調速泵收回投資年限為4×5/15.5=1.3年。盡管以上為純理論分析，但實(shí)際回收期不會(huì )超過(guò)兩年。

5 結語(yǔ)

1)變頻調速盡管是一種應用比較廣泛的水泵節能技術(shù)，但在并聯(lián)水泵的運行條件下，受到很多條件的限制，并不能達到理論的節能效果。

2)在有條件的情況下應盡可能選用多臺變頻泵并聯(lián)的運行方式，節能效果好，控制方式也靈活。

3)一拖多的水泵控制方式實(shí)際節能效果并不明顯，不如選用獨立的變頻泵(揚程較工頻泵高)，節能效果更好。

4)從投資回收年限考慮，一般兩年內肯定收回投資，因此在水泵負載中應盡可能選用多臺變頻調速器并聯(lián)運行。