变频调速技术在水泵上的节能改造

一、概述：
   　　 工业企业生产设备的负荷大部分是交流异步电动机，耗电量约占企业全部电耗的65%左右，尤其风机、水泵类负荷的效率比较低，在2002年中国加入世贸组织之后，企业必须通过降低成本来提高经济效益。才能增强竞争力，在降低生产成本中，节约用电是一个重要的经济环节。
   　　二、概况：
   　　惠隆五金机械厂供水站的供水系统是根据用水量的需求，是采用调整泵出门阀门来调节流量，需要专人值守，在不同的情况下，开关阀门。劳动强度较大，同时，由于阀门的强制节流使泵形成旋涡冲击，产生了强烈的振动和噪声，对泵的使用寿命、维护修理都加大了不利的损耗。再就是由于电动机的转矩基本恒定，这种调节方式形成的供水压力较高，造成严重的节流功率损失，泵的效率降低，造成电力的浪费。
   　　三、水泵的调速性能
   　　水泵在改变转速时，其内部几何尺寸没有改变，所以，据水泵的相似原理可知：当转速变化时，流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比，得出：同一台泵当转速变化时，水泵的主要性能参数将接上述比例定律而变化，并且，在变化过程中可保持效率基本不变，若水泵机组转速可调，我们就可以改变某台水泵的转速以适应当时需水量的变化，这样就可以避免水泵机组在低效率区域运转造成的电动机过载，另一方面，也可以避免供水压力偏高所造成的浪费。同时，水泵随着转速的变慢而使轴功率大为减少，电动机输入功率也随之减少，这就是调速水泵在供水系统中所起的节能作用。
   　　四、减速的基本原理
   　　根据交流电动机工作原理中的转速关系，n=60f（1-s）/p,从公式中得出：均匀改变电动机定子绕组的电源频率，就可以平滑地改变电动机的同步转速。电动机转速变慢，轴功率就相应减少，电动机输入功率也随之减少，这就是水泵调速的节能作用。
   　　交流电动机转速物性为一条稍向下倾斜的曲线，如图A所示，调速时的特性仍为稍向下倾斜曲线，是在不同频率时相互平等的一组曲线，如图B所示：
     
       从图 A、图B中可以看出，变频器的调速特性基本保持了电动机固有的转速特性，它是一组不同频率时相互平行的特性曲线。
   变频调速具有以下优点：
   　　①转差率小，转差损失小，效率可高达90～95%以上。
   　　②实现平滑地无级调速，精度高，调速范围宽（0～100%），频率变化范围大（0～50Hz）。
   　　③起动转矩大（可达额定值的1.1倍），实现软启动减轻启动电流的冲击。
   　　④提高电网侧功率因数。
   　　⑤变频器可采用高速度的16位CPU与专用的大规模集成电路配合，用软件实现V/5自动调整，具有
   与计算机可编程控制器联机控制的功能，容易实现生产过程的自动控制。
   　　⑥安装容易，调试方便，操作简单。
   　　⑦不仅适用于水泵，风机类负荷的节能调速，而且也适用于旧设备的改造，对改善工艺条件，提高产品质量都有其明显作用。
   一、案例
   　　惠隆五金机械厂生活水泵，电机功率为Y200M-2 45KW，安装变频器壹台，已运行三个月，节电效果明显。
   　　生活水泵变频减速节能测试数据如表A、表B所示：
   　　表A（2001年9月份）安装变频器前的测试数据（f=50Hz）
      
       表 B（2001年9月-10月）
　　安装变频器后的测试数据（P=4kgf/cm2=39.2N/CM2,f=0～50Hz）
      
   供水的高峰与低谷是随作息时间及生活习惯不同的变化的，为保证楼房高房及远距离居住的职工正常用水，我们采用了恒压供水方式，即保持管网压力为 4KGF/CM2（39.2N/CM2）。电动机频率随压力变化，从而实现了节能的目的。
   　　从表A与表B所示，以10天运行记录分析：
   安装变频器前： 供水量12785T，耗电7132KWH，平均单耗0.558KWH/T，平均时耗39.187KW/H。
   安装变频器后： 供水量：12819T；耗电5412KWH，平均单耗0.422KW/T，平均时耗29.254KWH。
   　　前后相比，10天供水量几乎相等，而耗电减少1720KWH，平均单耗降低0.136KWH，节电率24.37%，平均时耗降低9.942KW/H，节电率25.37%，平均节电率达24.87%，节电效果显着。
   投资回报期短： 按平均每天运行时间为18小时计
   年运行时间 =18×365=6570小时
   年节电量 =（投入前平均时耗-投入后平均时耗）×年运行时间=（39.187-29.254）×6570=65319（KWH）
   　　按电费单价1元=年节电折合人民币
   年节电费 =电费单价×年节电量=1×65319=65319元
   投资回报期 =60000÷65319=0.92年×12个月=11个月 　　
   即期投资回报期不到1年，与其他节能技术相比投资回报期限明显缩短。
   　　中央空调智能节电系统
   　　一、 概述：
   　　目前大多数中央空调供水系统的供水量都是手动调节，只要水泵开始运行，无论负荷情况如何，水泵均以最大负荷运行，所以能源浪费现象较严重，经调查测试一些空调供水系统的资料数据表明，普遍存在大流量小温差的问题。
   　　 夏季供冷水系统的供回水温差：较好者为4℃，较差者为1～1.5℃。
   　　 冬季供暖水系统的供回水温差：较好者为8～10℃，较差者为3℃。且循环水量一般是设计水量的1.5倍，这样带来如下一系列问题：
   　　 1、水流量过大使冷水系统和用水温度变低，恶化主机的工作条件。
   　　 2、由于水泵的压力太大，通常都是通过调整管道上阀门的开度来调节水流量的，因此在阀门上存在很大的电能浪费。
   　　 3、因水泵通常采用的是Y-△起动方式，电机的起动电流约为额定电流的3～4倍，一台30KW的电动机，其起动电流将达到100A以上。在如此大的电流冲击下，接触器等元器件的使用寿命大大下降，增加了维修工作量和备品备件费用。其次，较大的启动电流还会在电机和变压器中引起极大的电能损失，造成电气设备发热等问题。
   　　由上述可知，供水系统运行效率较低，能耗较大，且属长期运行设备，进行节电改造完全是必要的，据统计，就在空调系统中，冬季暖期约占动力用电的20%～30%。在夏季供冷期占动力用电的15%～25%。因此，降低空调系统的用电是目前降低成本的一个重要环节。
   　　二、 节能改造的技术可行性：
   　　采用恒压（恒温）智能控制节电器，控制水泵运行，是目前供水系统节能改造的有效途径之一，图A和图B给出了阀门调节和智能控制节电器两种运行状态的压力——流量（H-Q）关系及功率——流量（P——Q）关系。
      
   图 A中曲线1是水泵在额定转速下的H——Q曲线，曲线2是水泵在某一较低速度下的HQ曲线，曲线3是阀门开度最大的管路H——Q曲线，曲线4是某一较小阀门开度最大的条件下采用智能控制器调节水泵运行，则工况点沿曲线3由A点移动到C点。显然，B点与C点的流量相同，但B点的压力以C点的压力要高很多，即智能控制水泵运行，节能效果显着。
   　　图B中曲线5为智能控制水泵运行的P——Q曲线，曲线6为阀门调节方式下的P——Q曲线；在相同的流量下，智能控制方式比阀门调节方式能耗小，二者之间的关系为：△P=[0.4+0.6Q/Qe-（Q/Qe）3]Pe式中，Q为实际负载流量，Qe为额定流量，Pe为额定负载功率，△P为功率节省值。可以算出当负载流量下降到额定流量的70%时，节电率将达到48%。除了节省电能外，智能控制节电器的应用还会给供水机组运行带来如下好处：
   　　 1：管路阀门开度最大，消除阀门上节流损失。
   　　 2：有欠压、过流、缺相、漏电等保护措施，改善了电机运行条件，提高了运行的可靠性。
   　　 3：实现电机软启动（最大启动电流小于额定电流）。
   　　 4：启动平稳，无冲击负荷，大幅度降低设备损耗延长了设备使用寿命，减少维修费用。
   　　 5：管路压力降低，减少了跑冒滴漏现象，设备运行更加安全。
   　　 6：在空调系统中，调节水流量，把冷水机组的进水和回水温度控制在适当的范围之内，保证主机的热交换率，节省主机能耗。
   　　三 、改造方案
   　　1：供水系统及空调用冷冻水泵采用恒压闭环控制，由压力传感器检测则信号反馈给智能控制节电器，控制电机运行。
   　　2：空调用冷却水泵采用温度闭环控制。
   　　3：为方便检修且不影响生产，可进行节电控制和市电两种状态运行，同时实行电气互锁。（以控制柜形式提供给用户）
   　　4：具有自动控制回路，手动控制旁路及相应的指示状态和各种完善的保护功能，如过载、过流、过压报警功能。