关于提高变频泵组运行效率的分析和设想

关于提高变频泵组运行效率的分析和设想

沈航

广州市自来水公司广东广州510600

摘要：在供水行业中生产成本中，水泵运行电耗所占比例最大，所以如何提高泵组运行效率，降低水泵运行电耗是减少自来水生产成本的关键。本文主要针对水泵经常偏离高效区间的情况，分析探讨影响水泵运行效率的主要原因，利用变频调速的方法，给出提高水泵运行效率的方案与设想。

关键词：供水；水泵；变频；运行效率

在供水行业中，为满足中长期运行和最不利工况点的要求，故水泵在实际运行中，经常偏离高效区，造成水泵运行效率偏低，运行电耗偏大的情况。笔者结合实际运行的经验，根据对一个大型取水泵站的泵组数据统计，给出提高变频水泵运行效率的方案和设想。

一、泵站泵组运行情况

（一）泵组性能概况

1、水泵和电机

泵站共有12台泵组，具体参数如下表

2、变频器

泵站共有12台6kV、2240kW的机组，对应每台水泵机组配置一台与之匹配的中压变频器，共12台。该变频器是由加拿大罗克韦尔公司提供的AB-PowerFlex7000系列的风冷型电流型产品，额定电流为285A，额定输出容量为2728kW。PowerFlex7000采用脉宽调制（PWM）技术，采用由对称门极换流晶闸管（SGCT）的组合功率单元电路板作为电源进线侧整流器及电机端逆变器，此拓扑结构提供了一种简单、可靠、经济实用的功率单元，适合较宽的电压和功率范围。所用的功率半导体开关适合任何中压范围的串联。由于采用了限电流的直流链路电感器（共模电抗器CMC），因此该功率单元不需要半导体保险丝。同时，在进线电源侧配备了滤波电容及母线电抗器，有效地抑制了电源的高次谐波。

（二）运行情况

从泵站投产运行到现在，优化调整变频器的运行频率后，效率逐步提高。如果剔除变频器的5%的损耗，目前泵组运行效率已经达到75%以上。

由于泵站水泵和电机均是进口产品，设备本身效率较高，根据安德里茨水泵厂提供的水泵测试曲线看，该水泵高效区较宽，在23米~42米扬程下效率可达到80%以上。再加上发挥变频器的使用效果，综合运行效率应该在75%左右最为合理，所以从数字看，目前的运行效率仍有一定的提高空间。

二、效率较低的原因分析

（一）供水量的变化的影响

由于供水量需求的变化，使泵组不能完全按水泵最高效率点来调频，由于单泵的水量较大，每调节1HZ，水量只变化342m3，水泵扬程变化1.4m，轴功率变化6%。假设泵组开机台数和频率设定是最高效的，当水量需求的变化较小时，只能维持原开机台数，而通过调节频率实现增减水量。当水量需求的变化较大时，可以通过开停机来实现水泵高效。因此供水量需求的变化给变频器的调节带来不便。

从表4可以看出，水量的变化分三个时段，4~8时为低峰区，需水量较小，水泵扬程在17~24米，由水旬的因素和水量因素造成，21~3时为中峰区，水泵扬程在25~27米，9~20时为高峰期，水泵扬程在28~30米，泵组效率较高。机组开启数量、扬程、频率的多少取决于流量的大小，三个变量互相影响，相互适应，水量增加，扬程增加，频率增加；水量减少，扬程减少，频率减少。由于受多个条件制约，使频率的调整难于按水量需求控制在最高效率点。

（二）频率与效率的对应关系不一致

从表4可以看出，在变频器的调节上，基本能按照扬程的高低来调整变频器的频率，做到扬程高，频率高，扬程低，频率低的控制方法，绝大部分时段频率与水泵高效点频率误差不超过2HZ，但泵组效率仍然不高。与表3的效率差距较大，即便是在21~23时，频率与对应表3的扬程基本吻合，但平均效率依然最高只有74%，与表3中综合效率的差距有4%之多。

（三）频率的调整还有进一步优化的空间

从表3和表四的对应关系看，在某些时段，频率的调整还不是最优，还有更加优化的方案，比如：在5~6时，扬程只有17米多，此时对应的频率还可继续下调至34HZ，按6台34HZ运行，与5台40.5HZ的方式比，效率应有所提升。

（四）调速过程可能造成变频器效率下降

由于该变频器是电流源型的变频器，其特点是整体效率受功率因数的变化的影响较大，一般来讲，变频器的效率随功率因数的降低而大幅降低。我司做了该方面的试验，试验结果表明，随着频率的下调，水泵效率下降。

（五）调速过程水泵组性能曲线畸变

我司对调速过程中，水泵性能曲线的试验，见图2，试验数据表明41HZ、42HZ、46HZ的曲线与其它频率的曲线交叉，与50HZ曲线形状有较大的偏离。影响水量和电耗的计算。

三、提高泵组效率的工作设想

（一）通过各种试验，取得泵组高效运行方案

（1）尽量使水泵运行在高效区间内，在能不使用变频器的情况下就工频运行，减少因使用变频器产生的效率损失。

（2）进行开机组合与频率调整方案试验，解决需水量和频率的对应关系，按照扬程的高低合理调整变频器的频率和开机台数。通过历史数据的统计，多机低频比少机高频的效率要高。

（二）根据以上的分析，制定出可操作性的控制方案并加以落实，用以指导操作人员的运行，同时组织运行班组进行机组优化运行培训。

（三）建议建立自动调速系统

根据以上的测试结果，有条件编制出自动调速软件，采用自动化的手段进行调速，克服人工调速的不精确性，实现全过程高效运行。编制软件的基本要求：

（1）以满足水量需求为控制条件

（2）以泵组高效为制约条件

（3）以扬程控制频率

四、结论

在供水行业中，不断提升泵组运行效率，降低水泵运行电耗是必不可少的。但大功率水泵使用高压变频器的先例较少，我公司需不断累积运行数据，通过数据分析的方法，总结运行经验，提升泵组运行效率。