污水厂并联提升泵应用变频调速装置节能探讨

1 概述

我国是一个能源短缺的国家，因此在污水处理厂中节约能源、降低消耗尤为重要。《中国节能技术大纲》提出水泵风机类应最大发挥其节能作用的要求，污水处理厂提升泵站中的设备是污水处理厂中的主要耗能设备，对其进行变频调速技术改造，既可实现无级调速，又可实现节约能源、降低消耗，还可减少设备的开停次数，从而延长设备使用寿命，并可解决由于工程实际运行规模与设计规模不一致带来的运行过程的偏差。因此变频调速技术在污水处理厂提升水泵的控制及运行中得到越来越广泛的应用。

设置提升泵的目的是提高水头，由于选择水泵时均按最大流量下选择水泵参数，但在大多数情况下水泵并不需要达到满负荷运行，因此水泵也无法达到最佳工作点，而且一般均为多台水泵并联运行，选择水泵参数时均偏大，因此变频调速装置的正确选用尤为重要。

2 多台水泵并联运行的特点

一般限于节省投资的考虑，污水处理厂提升泵均采用变频泵与工频泵并联运行方式，如图1 所示。

现在就分析一下提升泵并联运行的一些特点。

2.1 理想状态下的水泵并联

图1中，N0为工频泵的性能曲线，工频泵单泵运行时的工作点为A，扬程为hA，流量为qA;N1为变频泵单泵正常调速中的性能曲线，运行时的工作点为 B，扬程为hB，流量为qB;N2为变频泵单泵速度最低时的性能曲线，运行时的工作点为D，扬程为hD，流量为qD;M1为工频泵(N0)和变频泵(N1)并联时的管网总的运行曲线，运行时的工作点为C，扬程为hC，流量为qC0;M2为工频泵(N0)和变频泵(N2)并联时的管网总的运行曲线，运行时的工作点为A，扬程为 hA，流量qA。F0为理想的管网阻力曲线。理想状态下的水泵并联曲线应该是根据流量的变化沿管网阻力曲线F0平滑滑动的一组曲线。

2.2 实际状态下的两台水泵并联

在实际工况中，大多数是工作在两条性能曲线N0和N1下，从性能曲线图中可以看到，并联后的总扬程hC>hA，且hC>hB，同时管网总流量qC 0=qC1+qC2qA，qC0>qB。随着变频泵速度下降，其性能曲线在图1 中沿F0 向左下方偏移，管网总曲线也同样沿F0向下偏移。当变频泵速度降到N2时，管网的性能曲线是临界曲线M2，此时的管网总扬程和工频泵的扬程相等，而不是理论分析的稍大一些。这时由于管网总流量和工频泵单泵运行时的流量相同，工频泵相对于变频泵时其输出流量有一个增量，可能出现过载。变频泵由于最大扬程低于管网总扬程，表现出来的实际情况为变频泵不出水。此时变频泵还在工作，消耗一定的功率，变频泵的效率降到了最低。因此，在设定变频器频率时一定要有一个下限频率fmin，以此来避开这种低效区。下限频率的设定一般可根据实际运行工况设定。

2.3 多台水泵并联

多台工频泵和一台变频泵并联运行时，变频泵性能曲线下移至N2时，管网曲线应该在N2之上，变频泵频率下限fmin比两台泵并联时要高。因此，管网并联的泵越多，节能的空间越少。

3 多台水泵并联运行的变频节能解决方案

污水处理厂实际的应用场所绝大多数均为多台水泵的并联运行，因此需要很好地解决并联水泵的调速问题，才能有效地节能。

由流体学相似定律可知，转速与流量成比例，而功率与流量的三次方成比例。由于水泵采用转速控制时，当流量减小时，所需功率近似按流量的三次方大幅度下降。例如转速下降到80%，流量也下降到80%时，则轴功率下降到额定功率的51%，由于下限值越低，节能效果越明显，但不能单纯考虑节能，必须考虑多台水泵并联所带来的多方面的影响，实际下限频率的设定应根据水泵本身的性能曲线、并联水泵的台数、管网阻力的变化、变频器本身的特性等多方面因素确定，一般在试运行时根据实际工况确定，实际运行中设定值一般在40 Hz左右。

3.2 合理选择变频水泵

在实际工程中，一般选择工频泵与变频泵参数一致，但根据以上的性能曲线分析可知，相同性能曲线的工频泵与变频泵并联，变频泵调速范围很小，节能效果并不明显，因此选择变频泵时应当尽量选择扬程较大的泵，可更好地利用变频器的节能特性，但这种方式使水泵的互换性差。

3.3 多台变频泵并联运行

分析并联水泵的性能曲线知，多台变频泵并联运行，可有效地解决工频泵与变频泵并联时由于扬程不同带来的对变频泵范围的限制，可采用根据流量及扬程参数同时调节水泵曲线，实现最大范围的节能效果。因此在实际工程中，尽可能多地选择多台变频泵并联是比较合理的方式，只是这种运行方式的初期投资比较高。

3.4 合理设定水泵水池液位

在实际运行时，若能使水泵水池保持在高水位运行，就可有效降低水泵的实际扬程，在保证提升水量的前提下降低能耗，并且也有利于工频泵与变频泵的并联使用。

4 变频器节能理论计算

以下针对某污水厂7台(6 用1 备)90 kW 提升水泵进行理论上的节能计算。

1)当仅有1 台变频水泵运行时，假设电动机转速的变化为70%～100%，则水泵流量变化范围也为70%～100%，根据功率与转速的三次方成正比的关系，可知，理论计算功率变化为34.3%～100%，实际因为要保证水泵的扬程，工作点必然偏移，大量的实际运行数据显示，节电效果在0～50%之间。保守估计，假设一年中水泵有1/5 时间运行在70%的额定流量下，其他时间为100%运行，年运行小时数按6000算，则针对90 kW 出水泵来说，一年的节电量为W=90×0.5×6000×0.2=54 000 kW·h。

2)当采用1台定速水泵与1 台变频水泵并联运行时，变频泵受定速泵扬程的影响，电动机转速的变化为85%～100%，则流量变化范围也为85%～100%，理论计算功率变化为61.4%～100%，实际因为要保证水泵的扬程，工作点必然偏移，根据大量的实际运行数据显示，节电效果在0～20%之间。保守估计，假设一年中水泵有1/5时间运行在70%的额定流量下，其他时间为100%运行，年运行小时数按6 000算，则针对90 kW 出水泵来说，一年的节电量为W=90×0.2×6 000×0.2=21 600 kW·h。

3)当采用两台定速水泵与1 台变频水泵并联运行时，变频泵受定速泵扬程的影响，电动机转速的变化为90%～100%，则变频水泵流量变化范围也为90%～100%，理论计算功率变化为72.9%～100%，实际因为要保证水泵的扬程，工作点必然偏移，根据大量的实际运行数据显示，节电效果在0～10%之间。保守估计，假设一年中水泵有1/5 时间运行在70%的额定流量下，其他时间为100%运行，年运行小时数按6 000 算，则针对90 kW 出水泵来说，一年的节电量为W=90×0.1×6 000×0.2=10 800 kW·h。

根据以上分析可知，当提升水泵采用两台调速泵、4 台定速泵(还有一台备用)运行时，年节电约为W=10 800×2=21 600 kW·h;当提升水泵采用3 台调速泵、3 台定速泵运行时，年节电约为W=21 600×3=64 800 kW·h;当提升水泵全采用调速泵运行时(考虑多台泵并联运行效率有所下降，取0.8 的系数)，年节电约为W=0.8×54 000×6=259 200 kW·h;按每kW·h 0.6 元计，则一年节约259 200×0.6=155 520元，约15.5万元。因水泵容量较大，定速泵启动方式采用软启动器启动，考虑变频器与软启动器的差价约为4万元，则增设5台调速泵收回投资年限为4×5/15.5=1.3年。尽管以上为纯理论分析，但实际回收期不会超过两年。

5 结语

1)变频调速尽管是一种应用比较广泛的水泵节能技术，但在并联水泵的运行条件下，受到很多条件的限制，并不能达到理论的节能效果。

2)在有条件的情况下应尽可能选用多台变频泵并联的运行方式，节能效果好，控制方式也灵活。

3)一拖多的水泵控制方式实际节能效果并不明显，不如选用独立的变频泵(扬程较工频泵高)，节能效果更好。

4)从投资回收年限考虑，一般两年内肯定收回投资，因此在水泵负载中应尽可能选用多台变频调速器并联运行。