污水廠并聯(lián)提升泵應用變頻調速裝置節(jié)能探討

1 概述

我國是一個能源短缺的國家，因此在污水處理廠中節(jié)約能源、降低消耗尤為重要?！吨袊?jié)能技術大綱》提出水泵風機類應最大發(fā)揮其節(jié)能作用的要求，污水處理廠提升泵站中的設備是污水處理廠中的主要耗能設備，對其進行變頻調速技術改造，既可實現(xiàn)無級調速，又可實現(xiàn)節(jié)約能源、降低消耗，還可減少設備的開停次數(shù)，從而延長設備使用壽命，并可解決由于工程實際運行規(guī)模與設計規(guī)模不一致帶來的運行過程的偏差。因此變頻調速技術在污水處理廠提升水泵的控制及運行中得到越來越廣泛的應用。

設置提升泵的目的是提高水頭，由于選擇水泵時均按最大流量下選擇水泵參數(shù)，但在大多數(shù)情況下水泵并不需要達到滿負荷運行，因此水泵也無法達到最佳工作點，而且一般均為多臺水泵并聯(lián)運行，選擇水泵參數(shù)時均偏大，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

一般限于節(jié)省投資的考慮，污水處理廠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(xiàn)在就分析一下提升泵并聯(lián)運行的一些特點。

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，工頻泵單泵運行時的工作點為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，運行時的工作點為 B，揚程為hB，流量為qB;N2為變頻泵單泵速度最低時的性能曲線，運行時的工作點為D，揚程為hD，流量為qD;M1為工頻泵(N0)和變頻泵(N1)并聯(lián)時的管網(wǎng)總的運行曲線，運行時的工作點為C，揚程為hC，流量為qC0;M2為工頻泵(N0)和變頻泵(N2)并聯(lián)時的管網(wǎng)總的運行曲線，運行時的工作點為A，揚程為 hA，流量qA。F0為理想的管網(wǎng)阻力曲線。理想狀態(tài)下的水泵并聯(lián)曲線應該是根據(jù)流量的變化沿管網(wǎng)阻力曲線F0平滑滑動的一組曲線。

2.2 實際狀態(tài)下的兩臺水泵并聯(lián)

在實際工況中，大多數(shù)是工作在兩條性能曲線N0和N1下，從性能曲線圖中可以看到，并聯(lián)后的總揚程hC>hA，且hC>hB，同時管網(wǎng)總流量qC 0=qC1+qC2qA，qC0>qB。隨著變頻泵速度下降，其性能曲線在圖1 中沿F0 向左下方偏移，管網(wǎng)總曲線也同樣沿F0向下偏移。當變頻泵速度降到N2時，管網(wǎng)的性能曲線是臨界曲線M2，此時的管網(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。這時由于管網(wǎng)總流量和工頻泵單泵運行時的流量相同，工頻泵相對于變頻泵時其輸出流量有一個增量，可能出現(xiàn)過載。變頻泵由于最大揚程低于管網(wǎng)總揚程，表現(xiàn)出來的實際情況為變頻泵不出水。此時變頻泵還在工作，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一定要有一個下限頻率fmin，以此來避開這種低效區(qū)。下限頻率的設定一般可根據(jù)實際運行工況設定。

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，變頻泵性能曲線下移至N2時，管網(wǎng)曲線應該在N2之上，變頻泵頻率下限fmin比兩臺泵并聯(lián)時要高。因此，管網(wǎng)并聯(lián)的泵越多，節(jié)能的空間越少。

3 多臺水泵并聯(lián)運行的變頻節(jié)能解決方案

污水處理廠實際的應用場所絕大多數(shù)均為多臺水泵的并聯(lián)運行，因此需要很好地解決并聯(lián)水泵的調速問題，才能有效地節(jié)能。

由流體學相似定律可知，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，當流量減小時，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，則軸功率下降到額定功率的51%，由于下限值越低，節(jié)能效果越明顯，但不能單純考慮節(jié)能，必須考慮多臺水泵并聯(lián)所帶來的多方面的影響，實際下限頻率的設定應根據(jù)水泵本身的性能曲線、并聯(lián)水泵的臺數(shù)、管網(wǎng)阻力的變化、變頻器本身的特性等多方面因素確定，一般在試運行時根據(jù)實際工況確定，實際運行中設定值一般在40 Hz左右。

3.2 合理選擇變頻水泵

在實際工程中，一般選擇工頻泵與變頻泵參數(shù)一致，但根據(jù)以上的性能曲線分析可知，相同性能曲線的工頻泵與變頻泵并聯(lián)，變頻泵調速范圍很小，節(jié)能效果并不明顯，因此選擇變頻泵時應當盡量選擇揚程較大的泵，可更好地利用變頻器的節(jié)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)時由于揚程不同帶來的對變頻泵范圍的限制，可采用根據(jù)流量及揚程參數(shù)同時調節(jié)水泵曲線，實現(xiàn)最大范圍的節(jié)能效果。因此在實際工程中，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

在實際運行時，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(jié)能理論計算

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

1)當僅有1 臺變頻水泵運行時，假設電動機轉速的變化為70%～100%，則水泵流量變化范圍也為70%～100%，根據(jù)功率與轉速的三次方成正比的關系，可知，理論計算功率變化為34.3%～100%，實際因為要保證水泵的揚程，工作點必然偏移，大量的實際運行數(shù)據(jù)顯示，節(jié)電效果在0～50%之間。保守估計，假設一年中水泵有1/5 時間運行在70%的額定流量下，其他時間為100%運行，年運行小時數(shù)按6000算，則針對90 kW 出水泵來說，一年的節(jié)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，變頻泵受定速泵揚程的影響，電動機轉速的變化為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%，實際因為要保證水泵的揚程，工作點必然偏移，根據(jù)大量的實際運行數(shù)據(jù)顯示，節(jié)電效果在0～20%之間。保守估計，假設一年中水泵有1/5時間運行在70%的額定流量下，其他時間為100%運行，年運行小時數(shù)按6 000算，則針對90 kW 出水泵來說，一年的節(jié)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，變頻泵受定速泵揚程的影響，電動機轉速的變化為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%，實際因為要保證水泵的揚程，工作點必然偏移，根據(jù)大量的實際運行數(shù)據(jù)顯示，節(jié)電效果在0～10%之間。保守估計，假設一年中水泵有1/5 時間運行在70%的額定流量下，其他時間為100%運行，年運行小時數(shù)按6 000 算，則針對90 kW 出水泵來說，一年的節(jié)電量為W=90×0.1×6 000×0.2=10 800 kW·h。

根據(jù)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，年節(jié)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，年節(jié)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(考慮多臺泵并聯(lián)運行效率有所下降，取0.8 的系數(shù))，年節(jié)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(jié)約259 200×0.6=155 520元，約15.5萬元。因水泵容量較大，定速泵啟動方式采用軟啟動器啟動，考慮變頻器與軟啟動器的差價約為4萬元，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，但實際回收期不會超過兩年。

5 結語

1)變頻調速盡管是一種應用比較廣泛的水泵節(jié)能技術，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(jié)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(jié)能效果好，控制方式也靈活。

3)一拖多的水泵控制方式實際節(jié)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(jié)能效果更好。

4)從投資回收年限考慮，一般兩年內(nèi)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。