循環(huán)水泵節(jié)能變頻改造分析

1、循環(huán)水泵節(jié)能變頻改造分析 摘要：在滿足企業(yè)生產(chǎn)情況下，通過電機變頻技術，并在設備原有的基礎上做局部的改動，達到節(jié)能降耗的結果，提升設備運行電能使用效率，為企業(yè)節(jié)約大量的電費，同時為節(jié)能減排做出貢獻。 關鍵詞：循環(huán)水系統(tǒng) 水泵 電機 高壓變頻器 中圖分類號：te08 文獻標識碼：a 文章編號： 公司循環(huán)水裝置主要功能是負責向公司各級生產(chǎn)設備輸送合格的循環(huán)水，用以冷卻工藝介質(zhì)，確保生產(chǎn)裝置運行正常。 1.工藝概況 該循環(huán)水系統(tǒng)由三臺型號規(guī)格相同的水泵及與之匹配的三臺電機組成，其工藝流程示意圖如下： 循環(huán)水泵使用規(guī)律為“兩用一備”，其“啟動、停止”控制由遠方操作室值班人員完成，啟動方式為直接啟動。工

2、藝設計該循環(huán)水系統(tǒng)的循環(huán)水供應能力為3500 m3/h，管網(wǎng)壓力0.6mpa。在實際運行過程中，循環(huán)水的實際需求量為25003000m3/h，其中一臺循環(huán)水泵閥門為全開，另一臺水泵閥門開度為30%左右，電機運行電流為55a，總管網(wǎng)壓力為0.6mpa。 2.改造前系統(tǒng)分析 （1）循環(huán)水泵設計輸送能力遠大于實際需求，電能浪費嚴重。 根據(jù)資料此循環(huán)水系統(tǒng)的實際輸送量在25003000m3/h時即可滿足設備需求，遠小于設計輸送能力3500 m3/h。而目前該循環(huán)水泵電機為工頻定速運行，無法通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)調(diào)整水泵流量，因此，為匹配循環(huán)水用戶的實際需求量，只能采用閥門調(diào)節(jié)的方式調(diào)整水流量，從而造成很大部分的

3、電能浪費在做“無用功”中。 （2）電機直接啟動,啟動沖擊電流大 由于電機采用直接啟動，啟動電流較大，一般為額定電流的4-7倍。因此在啟動時，不但對電機電機絕緣造成損害，同時還會對電網(wǎng)造成了嚴重的沖擊，影響電網(wǎng)上其他設備的穩(wěn)定運行。另外，電機在直接啟動時，由于管網(wǎng)內(nèi)水量在極短時間內(nèi)的發(fā)生巨大變化，有可能產(chǎn)生“水錘效應”，對管網(wǎng)設備壽命極為不利。 （3）閥門控制時節(jié)流損耗大 由現(xiàn)場調(diào)查得知，其中一臺水泵閥門開度僅為30%，水泵長期處于“憋泵”狀態(tài)，加速了閥體自身磨損，導致閥門控制特性變差，同時還會有部分能耗消耗在節(jié)流損失中。 （4）低功率因數(shù) 電機功率因數(shù)不高（額定0.89，實際功率因數(shù)更低），降

4、低了設備電能的使用效率。 2.變頻改造后系統(tǒng)分析 水泵是典型的變轉(zhuǎn)矩負載。變轉(zhuǎn)矩負載的特性是轉(zhuǎn)矩隨速度的上升而上升。水泵的電動機的軸功率p與其流量q，揚程h之間的關系式如下： pqh （1） 當流量q1有變化到q2時，電動機的轉(zhuǎn)速為n1、n2,此時q、p、h相對于轉(zhuǎn)速的關系如下： q2=q1(n2/n1)（2） h2=h1(n2/n1)2（3） p2=p1(n2/n1)3 （4） 而電動機的軸功率p和轉(zhuǎn)矩t的關系為： tp/n（5） 因此，t2=t1(n2/n1)2（6） 由式（3）和式（6）可以看出，水泵的電動機的軸功率（功率輸出）與轉(zhuǎn)速的3次方成正比，而轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的2次方成正比。 圖01（

5、a）顯示出了水泵的壓力與流量的關系曲線，圖01(b)顯示出轉(zhuǎn)矩與電機速度的關系曲線： 從圖01(b)中可以看出，在低速時，電動機功率會有很大的下降。由于水泵運行于額定轉(zhuǎn)速以上是恒定功率調(diào)速，此時水泵效率很低，機械磨損很大，容易損壞電機。從理論上講，速度降低10%時會帶來30%左右的功率下降，由于功率的大幅度降低，可獲得顯著的節(jié)能效果。 下表為速度降低后的理論節(jié)能表： 另外，根據(jù)水泵工作原理與運行曲線，我們可以得到下圖中的100轉(zhuǎn)速運行特性曲線（阻抗曲線），這條曲線配合水泵在不同流量運行時可以得到在未應用變頻調(diào)速情況下使用閥門調(diào)節(jié)流量時的功率。采用閥門控制、變頻控制時水泵能耗特性如下圖： 由此可

6、見，采用變頻調(diào)速裝置調(diào)節(jié)流量時，水泵消耗的功率幾乎是理論最低耗能值。在流量為60%時,閥門控制消耗電機額定功率的約85%，而變頻控制只有消耗電機額定功率的約25%。采用變頻調(diào)速裝置在泵類等具有平方轉(zhuǎn)矩特性的負載時，可以節(jié)約大量的能量。 無功功率消耗不但增加線損和設備的發(fā)熱，更主要的是使設備使用效率低下，浪費嚴重。 由公式 p=s*cos q=s*sin 其中：s視在功率，p有功功率， q無功功率，cos功率因數(shù)， 可知cos越大，有功功率p越大，普通水泵電機的功率因數(shù)在0.6-0.7之間，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，cos1，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率，更重

7、要的是使水泵工作效率總是處于最佳工作狀態(tài)。 由于電機為直接啟動或y/啟動，啟動電流等于47倍額定電流，這樣會對機電設備和供電電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，而且還對電網(wǎng)容量要求過高，啟動時產(chǎn)生的震動和沖擊對擋板和閥門的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，同時通過對升速時間的預置來延長啟動過程，使啟動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減小，從而能有效地避免“水錘效應”的產(chǎn)生，極大減小了對管道、閥門及檢測元件的沖擊，延長了設備和閥門的使用壽命，節(jié)省了設備的維護費用。同樣在停機時，采用變頻軟停

8、止，也能有效的避免“水錘效應”。 3.改造后節(jié)能效果分析（以單臺循環(huán)水泵為例） （1）水泵系統(tǒng)閥門調(diào)節(jié)時耗電成本（m1） 根據(jù)電機設備參數(shù)可知，閥門全開的水泵電機運行電流約71a，當閥門開度為30%的水泵電機運行電流為55a，因此在閥門控制時消耗功率為 p閥 =3uicos= 1.7326000550.89 = 508kw 全年以8500小時運行時間計算，則年度耗電量為： 年度耗電量 =508kw8500h = 4318000kwh 電費以0.63元/度計算，則年度耗電成本為： 年度耗電成本（m1）=4318000kwh 0.63元/kwh = 2720340元 （2）水泵系統(tǒng)變頻調(diào)節(jié)時耗電成

9、本（m2） 設電機效率為98%，變頻器效率為97%，額定流量時軸功率為630kw。 目前循環(huán)水用戶的實際需求量在2500-3000m3/h，而單臺循環(huán)水泵的輸送能力為1872 m3/h，因此在滿足用戶最大循環(huán)水需求量時另外一臺輸送水量只需1128 m3/h，那么在使用變頻器后，根據(jù)泵類負載轉(zhuǎn)速、流量關系設定頻率為35hz即可滿足工藝要求。 由于此次改造只針對其中一臺水泵電機，因此，對于有工頻泵和變頻泵同時運行的循環(huán)水泵系統(tǒng)，為保證管網(wǎng)設備的更安全運行（特別是要滿足最低壓力要求0.45mpa），可將頻率調(diào)整至39hz，那么采用變頻器后，在變頻運行時（閥門全開），由流體力學知識可知，電機輸出功率為： p電機 =p額(n2/n1)312 =630（39/50）30.980.97 = 314.5kw 年度耗電量：= 314.5kw8500h = 2673250kwh 年度耗電成本（m2）= 2673250kwh0.63元/kwh = 1684148元 （3）年度直接節(jié)電效益（m3） 節(jié)電率 = （p閥 ? p電機）/ p