污水廠并聯(lián)提升泵應(yīng)用變頻調(diào)速裝置節(jié)能探討

1 概述

我國(guó)是一個(gè)能源短缺的國(guó)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?guó)節(jié)能技術(shù)大綱》提出水泵風(fēng)機(jī)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(duì)其進(jìn)行變頻調(diào)速技術(shù)改造，既可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，又可實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源、降低消耗，還可減少設(shè)備的開(kāi)停次數(shù)，從而延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，并可解決由于工程實(shí)際運(yùn)行規(guī)模與設(shè)計(jì)規(guī)模不一致帶來(lái)的運(yùn)行過(guò)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(yùn)行中得到越來(lái)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(shí)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(yùn)行，因此水泵也無(wú)法達(dá)到最佳工作點(diǎn)，而且一般均為多臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行，選擇水泵參數(shù)時(shí)均偏大，因此變頻調(diào)速裝置的正確選用尤為重要。

2 多臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)

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(yùn)行方式，如圖1 所示。

現(xiàn)在就分析一下提升泵并聯(lián)運(yùn)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，工頻泵單泵運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)為A，揚(yáng)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(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)為 B，揚(yáng)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，運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)為D，揚(yáng)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(yùn)行曲線，運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)為C，揚(yáng)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(yùn)行曲線，運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)為A，揚(yáng)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(dòng)的一組曲線。

2.2 實(shí)際狀態(tài)下的兩臺(tái)水泵并聯(lián)

在實(shí)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(yáng)程hC>hA，且hC>hB，同時(shí)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(shí)，管網(wǎng)的性能曲線是臨界曲線M2，此時(shí)的管網(wǎng)總揚(yáng)程和工頻泵的揚(yáng)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(yùn)行時(shí)的流量相同，工頻泵相對(duì)于變頻泵時(shí)其輸出流量有一個(gè)增量，可能出現(xiàn)過(guò)載。變頻泵由于最大揚(yáng)程低于管網(wǎng)總揚(yáng)程，表現(xiàn)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(shè)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(qū)。下限頻率的設(shè)定一般可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況設(shè)定。

2.3 多臺(tái)水泵并聯(lián)

多臺(tái)工頻泵和一臺(tái)變頻泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，變頻泵性能曲線下移至N2時(shí)，管網(wǎng)曲線應(yīng)該在N2之上，變頻泵頻率下限fmin比兩臺(tái)泵并聯(lián)時(shí)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(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行的變頻節(jié)能解決方案

污水處理廠實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)所絕大多數(shù)均為多臺(tái)水泵的并聯(lián)運(yùn)行，因此需要很好地解決并聯(lián)水泵的調(diào)速問(wèn)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(shí)，當(dāng)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(zhuǎn)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(jié)能效果越明顯，但不能單純考慮節(jié)能，必須考慮多臺(tái)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(shè)定應(yīng)根據(jù)水泵本身的性能曲線、并聯(lián)水泵的臺(tái)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(yùn)行時(shí)根據(jù)實(shí)際工況確定，實(shí)際運(yùn)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(shí)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(shí)應(yīng)當(dāng)盡量選擇揚(yáng)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(tái)變頻泵并聯(lián)運(yùn)行

分析并聯(lián)水泵的性能曲線知，多臺(tái)變頻泵并聯(lián)運(yùn)行，可有效地解決工頻泵與變頻泵并聯(lián)時(shí)由于揚(yáng)程不同帶來(lái)的對(duì)變頻泵范圍的限制，可采用根據(jù)流量及揚(yáng)程參數(shù)同時(shí)調(diào)節(jié)水泵曲線，實(shí)現(xiàn)最大范圍的節(jié)能效果。因此在實(shí)際工程中，盡可能多地選擇多臺(tái)變頻泵并聯(lián)是比較合理的方式，只是這種運(yùn)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(shí)際運(yùn)行時(shí)，若能使水泵水池保持在高水位運(yùn)行，就可有效降低水泵的實(shí)際揚(yáng)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(jì)算

以下針對(duì)某污水廠7臺(tái)(6 用1 備)90 kW 提升水泵進(jìn)行理論上的節(jié)能計(jì)算。

1)當(dāng)僅有1 臺(tái)變頻水泵運(yùn)行時(shí)，假設(shè)電動(dòng)機(jī)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(jì)算功率變化為34.3%～100%，實(shí)際因?yàn)橐ＷC水泵的揚(yáng)程，工作點(diǎn)必然偏移，大量的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，節(jié)電效果在0～50%之間。保守估計(jì)，假設(shè)一年中水泵有1/5 時(shí)間運(yùn)行在70%的額定流量下，其他時(shí)間為100%運(yùn)行，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)按6000算，則針對(duì)90 kW 出水泵來(lái)說(shuō)，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(tái)定速水泵與1 臺(tái)變頻水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，變頻泵受定速泵揚(yáng)程的影響，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化為85%～100%，則流量變化范圍也為85%～100%，理論計(jì)算功率變化為61.4%～100%，實(shí)際因?yàn)橐ＷC水泵的揚(yáng)程，工作點(diǎn)必然偏移，根據(jù)大量的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，節(jié)電效果在0～20%之間。保守估計(jì)，假設(shè)一年中水泵有1/5時(shí)間運(yùn)行在70%的額定流量下，其他時(shí)間為100%運(yùn)行，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)按6 000算，則針對(duì)90 kW 出水泵來(lái)說(shuō)，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(tái)定速水泵與1 臺(tái)變頻水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，變頻泵受定速泵揚(yáng)程的影響，電動(dòng)機(jī)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(jì)算功率變化為72.9%～100%，實(shí)際因?yàn)橐ＷC水泵的揚(yáng)程，工作點(diǎn)必然偏移，根據(jù)大量的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，節(jié)電效果在0～10%之間。保守估計(jì)，假設(shè)一年中水泵有1/5 時(shí)間運(yùn)行在70%的額定流量下，其他時(shí)間為100%運(yùn)行，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)按6 000 算，則針對(duì)90 kW 出水泵來(lái)說(shuō)，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(tái)調(diào)速泵、4 臺(tái)定速泵(還有一臺(tái)備用)運(yùn)行時(shí)，年節(jié)電約為W=10 800×2=21 600 kW·h;當(dāng)提升水泵采用3 臺(tái)調(diào)速泵、3 臺(tái)定速泵運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行時(shí)(考慮多臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)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(jì)，則一年節(jié)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(shè)5臺(tái)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(shí)際回收期不會(huì)超過(guò)兩年。

5 結(jié)語(yǔ)

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(yùn)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(tái)變頻泵并聯(lián)的運(yùn)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(shí)際節(jié)能效果并不明顯，不如選用獨(dú)立的變頻泵(揚(yáng)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(tái)變頻調(diào)速器并聯(lián)運(yùn)行。