分析高压重载水泵变频调速技术与应用方案

一、前言

某石油管理局供水公司每年耗电费用约占供水总成本费的30%左右，而其中输配水环节的电费约占总电费的70%左右，因此，如何调整好外输泵的日常运行，使输配水吨水电耗保持在一个较经济合理的范围内，是节能工作的重点。我们始终积极探索，认真研究，采取有效措施来解决这个问题。

二、问题的提出

该石油公司取水厂日取水能力为50万立方米/日。当初设计时，考虑到中长期规划和最不利水量、水位情况，选择了两种机组泵型，一种为电机1400KW/10KV，取水泵900HR（H62米，Q6360立方米/小时），另一种为电机900KW/10KW，取水泵700HR（H62米，Q3900立方米/小时）。取水厂的二级泵站——该水厂的一、二期工程设计供水量为50万立方米/日。

由于油田产量有限，外网用水量逐年减少。目前取水厂实际输水能力仅为25-30万立方米/天，水泵总流量Q仅为1.04-1.25亿立方米/小时，输水管道水头损失18-20米，水泵铭牌水头62米。如果泵压下降到等于管网的阻力，泵就会过载。所以，取水厂只能通过调节出口闸门来控制泵的压力，从而使泵在高效率区域内运行。这种操作不仅增加了闸门的水头耗损，同时对电能造成了极大的浪费。而且闸门的节流调节不当，泵很容易偏离高效段或过载运行，导致泵的故障率增加，缩短机组的使用寿命。

两年以来，该泵已维修10多次，维修费用超过100万元。而且水厂是保障油田用水的关键。所以对该水厂的水泵进行技术改造升级是属于势在必行的。

三、变频调速改造方案的初步计算和论证

一般情况下，泵都在额定工作条件下，按最佳工作条件设计操作。

额定压力下的额定流量可以在B点获得，此时泵的效率最高。关闭阀门可以控制流量。当流量减小时，泵分别在点P、Q、R和S工作。此时，泵需要在非常高的压差下工作，因此泵的能量输出远远超过实际系统需要。多余的能量表示为阀门上的热损失，由液体代替。泵的总输入能量可以通过将泵的输出能量除以泵的效率来获得。调节泵出口阀的开度以降低流量，导致相当大的能量损失。

电机可以通过变频器驱动泵变速运行。在任何流速下，泵的特性曲线都符合系统的需要。流量与电机转速成正比，产生的压差与转速的平方成正比。无级变频后可以得到无数的AB-CD泵特性曲线。管道特性曲线与AB—CD形成的阴影带之间的任意交点都可以作为工作点，以适应外网水量的变化，在较小扬程下达到P、Q、P点所对应的流量，同时所损耗的能量较少，节能效果显著。

对于同一台叶片式水泵有如下规律：

Q1/Q2=n1/n2H1/H2=(n1/n2)2N1/N2=(n1/n2)3

取水厂1#、3#、6#泵均为进口大泵，其电机转速分别为748r/m，745r/m，750r/m。

如果3#泵调速到500r/m，则其流量、扬程及功率参数如下：

Q原/Q变=n原/n变=748/500=1.496

Q变=4251.3立方米/小时

H原/H变=(n原/n变)2=1.4962

H变=28.59米

N原/N变=(n原/n变)3=1.4963

N变=412.2千瓦

如果调速到550r/m，则Q=4663立方米/小时，H=34米，N=547千瓦，调速后泵参数基本适合目前工况。当然，以上计算是在假定系统的管路特性曲线不变的情况下进行的，安装变频调速设备后，泵出口阀门可以全部打开，系统的管路特性曲线将向外偏移，那么调速后的泵运行参数更有可能满足实际工况的要求，因此，可确定此方案为可取。

四、变频调速方案的节能估算

水泵的耗能计算公式为：P=(K×H×Q)/ηK:为裕度系数η：效率

假设水泵的实际压力由目前的5.8公斤调速降至2.5公斤，且流量不变，则P25/P58=25/58＝43％，即功率消耗理论上比原来减少1－43％＝57％。按电费0.41元/度，电机效率为0.95，运行330天/年，则原来年耗电电费为（1400KW×24×330×0.41）/0.95＝478万元。

变频调速降至2.5公斤后，年耗电电费为：478×43％＝205.54万元，年节省电费为478－205.54＝272.5万元。初步看来节能效果相当可观。

五、方案确定

考虑到水厂一泵的实际条件，经过认真计算，论证，多方面考察，众多厂家的比较，我们决定安装北京利徳华福公司生产的高压大功率变频器。该变频器各项性能指标满足水泵工艺要求，可靠性较高，且改造时间短、见效快。

具体方案为关闭一期和二期之间的联络阀门，二期管网独立运行，变频器采用一带一方式拖动6＃泵，6＃泵故障时，可投入工频运行。工频/变频的切换通过旁路柜手动切换。而且，工频和变频切换有电气联锁和PLC的逻辑互锁，能保证机组安全运行。恒压控制，闭环运行，二期管网压力为0.1MPa；采用阀门联动自动控制，具有冷却水流量检测保护功能。

六、改造后，6#泵高压变频调速装置试运行情况

本年1月6日，变频器技术人员和取水厂的有关人员对6#泵的变频调速装置进行了试运，试运行情况如下：

为了保证水厂试运行期间的稳定运行，我们通过调度提前通知变电站和水厂做好试运行准备。先停7#泵，关闭3#泵与6#泵之间管汇的连接阀，调整3#泵运行，保持一期出口阀开度不变在12%。将6#泵的变频频率设置为37 Hz，启动6#泵，运行稳定后，将第二级出口阀打开至70%，然后观察泵装置在频率分别为35 Hz、33 Hz、30 Hz和28 Hz时的运行状态:

试运行结束后，我们将频率设置为30 Hz进行开环运行，并安排水厂值班员单独记录6#泵的运行情况。经过几天的运行，变频器运行稳定，功能齐全，操作简单，完全满足实际工况要求，达到了预期效果。

七、改造后的节能检验

节能效果最终要用仪表检验，最直接可靠的方法是用电度表测量变频改造前后的能耗加以比较。

原来3#、6#泵工频运行的运行记录：

注：32天3#、6#泵工频运行时泵站总单耗为：(0.2064+0.2143）/2=0.21千瓦时/立方米。

现在3#泵工频运行，6#泵变频运行（30HZ），汇管阀门关闭，两台泵单独运行记录：

注：从本年1月9日19：00时—到14日7：00时为4.5天，则日平均水量为1064700/4.5=236600立方米。

原3#、6#泵工频运行时，单耗为0.24千瓦时/立方米；现变频运行时单耗为0.06千瓦时/立方米。年节电量：0.07*23.66*365=604万瓦时，合RMB：268.78万元。

八、变频改造后，水厂的工艺改善

1）高压变频器内置了PLC，在现场实现外部逻辑控制时，非常方便。例如：阀门联动功能使值班人员，在启、停泵时无需再对阀门进行任何操作；减少了工作量和误操作；冷却水流量保护功能保证了水泵电机安全稳定的运行。

2）6＃泵变频改造后，电机的转速、电流、水泵的出口压都明显下降，使电机水泵的运行状况明显改善，不仅直接节约耗电量，而且，由于变频器的软启动功能，减少了对电机和电网的冲击，延长了设备的使用寿命，降低了设备的维修费用。

3）变频器采用压力闭环控制，保证管网水压0.1MPa。由于变频器的调速平滑，控制精度高，所以管网压力波动范围很小，能充分满足现场供水工艺要求。

4）高压变频器具有完善、灵敏的故障检测、诊断、报警、跳闸等功能，保证电机水泵始终安全运行。

5）上位机的监控功能和远程拨号监控功能为用户实现集中监控创造了必要条件。

九、结论

经过实践运行的证明，此次取水厂的水泵变频改造是成功的，取得的经济效益和社会效益是显而易见的。

1、节约了大量电能，降低了供水成本；

2、增大了系统可调范围，提高了系统运行的灵活性；

3、降低了水泵电机的转速，减少了机泵的启动冲击和机械摩擦、震动，延长了机组的使用寿命；

4、减小了机泵运行噪音，改善了工作环境；五是智能化的联动功能和完善的故障保护功能，即提高了工作效率，又增强了系统安全可靠性。

因此，高压大功率重载变频器调速技术是一项利国利民的高科技，具有广阔的应用前景。水泵调速或恒压供水系统应用于供水行业具有重要的现实意义。这种高压大功率变频调速装置将成为未来供水行业节能改造的首选！