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(shù)大綱》提出水泵風(fēng)機類應(yīng)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(shè)備是污水處理廠中的主要耗能設(shè)備，對其進行變頻調(diào)速技術(shù)改造，既可實現(xiàn)無級調(diào)速，又可實現(xiàn)節(jié)約能源、降低消耗，還可減少設(shè)備的開停次數(shù)，從而延長設(shè)備使用壽命，并可解決由于工程實際運行規(guī)模與設(shè)計規(guī)模不一致帶來的運行過程的偏差。因此變頻調(diào)速技術(shù)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(yīng)用。

設(shè)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(dá)到滿負(fù)荷運行，因此水泵也無法達(dá)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(diào)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(diào)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(yīng)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(dāng)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(shè)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(shè)定一般可根據(jù)實際運行工況設(shè)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(yīng)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(yīng)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(diào)速問題，才能有效地節(jié)能。

由流體學(xué)相似定律可知，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速控制時，當(dāng)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(zhuǎn)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(shè)定應(yīng)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(shè)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(diào)速范圍很小，節(jié)能效果并不明顯，因此選擇變頻泵時應(yīng)當(dāng)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(diào)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(shè)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(dāng)僅有1 臺變頻水泵運行時，假設(shè)電動機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)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(dāng)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(zhuǎn)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(shè)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(dāng)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(zhuǎn)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(shè)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(dāng)提升水泵采用兩臺調(diào)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(dāng)提升水泵采用3 臺調(diào)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(dāng)提升水泵全采用調(diào)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(shè)5臺調(diào)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(jié)語

1)變頻調(diào)速盡管是一種應(yīng)用比較廣泛的水泵節(jié)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(dá)到理論的節(jié)能效果。

2)在有條件的情況下應(yīng)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(fù)載中應(yīng)盡可能選用多臺變頻調(diào)速器并聯(lián)運行。