变频调速在排污泵站的应用及个案分析

摘要：污水管网中水量不均及杂质较多，导致水泵实际运行状况与理想运转特性有出入。为解决上述问题，实现泵站无人值守自动控制要求，同时达到提高效率、节能降耗、减少维修量、降低人工及劳动强度等目的，文章就变频调速技术的原理、性能以及在排污泵站（济南市八里桥泵站）中的实际应用进行研究。

关键词：变频调速；排污泵站；排污泵；变频器

中图分类号：TM921 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）17-0032-02

1 变频器及其调速原理

变频器是对交流电机实现变频调速的装置，生产中较多采用交直交变频器，这类变频器是先把电网的工频交流电通过整流器变成直流电，经过中间滤波环节后，再把直流电逆变成频率及电压均可调控的交流电。

在对异步电动机进行调速时，总希望保持气隙磁通Φm为额定值不变，因为若磁通太小，电机铁心未被充分利用；若磁通太大，可能使磁路饱和，造成激励电流过大，铁损急剧增加，严重时损坏电机。根据三相异步电动机基本原理可知，气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值为：E=4.44fNΦm，只要控制E、f就可控制磁通Φm。

异步电动机调速控制特性说明：电机是按50Hz设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出，因此额定频率以下的调速为恒转矩调速（T=Te，P≤Pe）。变频器输出频率大于50Hz时，电机产生的转矩要以与频率成反比的线性关系下降，此时电机负载的大小必须要给予充分考虑，以防止电机输出转矩不足。因此在额定频率以上的调速为恒功率调速。（P=Ue×Ie）

2 目前排污泵站中水泵使用存在的问题

（1）在排污泵站中安装了格栅除污机、集水池、水泵、出口蝶阀等设备设施，日常生产中需根据污水处理厂计划处理的排污量及实际负载可排量，利用水泵来调节即时排污量。在未设置变频控制系统的泵站中，传统方法采用出口阀门进行调节。阀门虽是电动操作，但频繁操作易发生故障，当阀门突然关闭，水流对阀门及管壁会产生压力，由于管壁光滑，后续水流在惯性的作用下，迅速达到最大，并产生破坏作用，这就是水锤效应，它不仅产生噪声，更严重的是导致物理性破坏，在压强过低时会引起管子瘪塌，在压强过高的瞬间可能造成管子破裂，另外，水锤效应还可能损坏水泵叶轮及紧固法兰等，不利于设备稳定运行。

（2）一般来说，水泵配备的电动机总装机容量大，而水泵在实际工作中由于不可预测的因素影响，偏离最优工况区，造成效率下降，加之其他传动损失、机械损失等，不可避免地出现“大马拉小车”现象，使水泵经常低效率运行。

3 水泵的变频调速控制

（1）利用变频装置对水泵进行转速控制，以水泵的Q（流量）-H（扬程）特性曲线来说明，如图1所示：

图1 水泵特性曲线

图1中，线1表示转速n0时的Q-H特性；线2表示管网水阻特性（蝶阀全开）；线3表示管网水阻特性（调蝶阀开度）；线4表示n1转速时的Q-H特性。

当水泵工况点为M时转速为n0，假定此时Q0为90%，此时轴功率与图1中MHMOQ0的面积成正比；当流量Q0根据液位需下降到45%时，采用蝶阀减少流量（保持转速不变）则工况点为N，此时轴功率与图1中NHNOQ1的面积成正比，此时流量减少，但扬程增高，从两个面积来看相差不大，即流量减少一半，轴功率并未减少太多。如果调节转速使流量降到Q1满足扬程HP，此时工况点为P，对应轴功率面积为PHPOQ1，从图1中可以看出M的功率面积是P的4倍，也就是说流量Q0降到Q1，如用调节蝶阀的方法，轴功率减少不多，如用变频调速的方法，轴功率减少了3/4。

根据水泵有效总功率可得：N=ρgQH=QH/102kW

水泵的转矩与转速平方成正比，其流量Q、扬程H及轴功率N与转速n遵循比例定律：流量与转速成正比关系；扬程与转速的二次方成正比关系；轴功率与转速的三次方成正比关系。

分析看出，用调速调节流量节电效果最明显。计算表明n降到90%，Q降到90%，N降到73%；n降到45%，Q降到45%，N降到9%。

（2）变频调速排水系统。

图2是排水系统图，考虑到泵站的生产工艺及水泵特性，系统中采用的变频调速技术宜在开环方式下控制。

图2 排水系统图

4 以济南市八里桥泵站为例研究节能效果

图2为较完善的排水系统图，实际中根据生产工艺、周围环境及控制水平等略有差异，下面以济南市八里桥泵站为例说明：泵站配置110kW立式污水泵4台，均采用自耦降压启动，由于日均排污量大，特别在汛期，需来回调节阀门以控制流量，像110kW大功率设备在启闭时，电力上对电网、设备上对阀门的冲击较大，易导致设备设施损坏，自2011年6月更换1台110kW立式污水泵及配套变频控制柜，产品型号为WLA2200-11-110。

在相同外部情况下采集数据做阶段性节能分析，主要分析泵在普通运行和在变频控制下的耗电情况，如表1和表2所示。

分析结果：在使用普通泵与变频控制泵各连续16日之后，计算两者差额为5334kWh，按每度电0.8元计算，16天内节电4267.2元，一个月可节电8534.4元，一年可节电102412.8元，经济效益相当可观。

5 结语

由此可见，水泵采用变频调速控制后，节电效果明显，变频起动和平稳调速，减少了对电网电压的冲击，不调节阀门也可消除节流产生的噪音与破坏，而且转速下降且变化幅度不大，使水泵的运行状况显著改善，降低了维修费用，延长了使用寿命，另外，控制时加减速可根据即时排污量（超声波液位计传导信号）进行调节，提高了灵活性与可靠性，保证泵站安全稳定高效运行。

参考文献

[1] 李亚峰，尹士君.水泵及泵站设计计算[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2] 丁斗章.变频调速技术与系统应用[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3] 孙鹤旭，董砚.电气传动与变频技术[M].北京：化学工业出版社，2010.

作者简介：张娟（1984—），女，山东肥城人，济南市排水总公司助理工程师，研究方向：电气工程及自动化。