循环水泵节能变频改造分析
摘要：在满足企业生产情况下，通过电机变频技术，并在设备原有的基础上做局部的改动，达到节能降耗的结果，提升设备运行电能使用效率，为企业节约大量的电费，同时为节能减排做出贡献。
关键词：循环水系统水泵电机高压变频器
中图分类号：te08 文献标识码：a 文章编号：
公司循环水装置主要功能是负责向公司各级生产设备输送合格的循环水，用以冷却工艺介质，确保生产装置运行正常。
1.工艺概况
该循环水系统由三台型号规格相同的水泵及与之匹配的三台电机组成，其工艺流程示意图如下：
循环水泵使用规律为“两用一备”，其“启动、停止”控制由远方操作室值班人员完成，启动方式为直接启动。
工艺设计该循环水系统的循环水供应能力为3500 m3/h，管网压力0.6mpa。
在实际运行过程中，循环水的实际需求量为2500～3000m3/h，其中一台循环水泵阀门为全开，另一台水泵阀门开度为30%左右，电机运行电流为55a，总管网压力为0.6mpa。
2.改造前系统分析
（1）循环水泵设计输送能力远大于实际需求，电能浪费严重。
根据资料此循环水系统的实际输送量在2500～3000m3/h时即可满足设备需求，远小于设计输送能力3500 m3/h。
而目前该循环水泵电机为工频定速运行，无法通过转速调节调整水泵流量，因此，为匹配循环水用户的实际需求量，只能采用阀门调节的方式调整水流量，从而造成很大部分的电能浪费在做“无用功”中。
（2）电机直接启动,启动冲击电流大
由于电机采用直接启动，启动电流较大，一般为额定电流的4-7倍。
因此在启动时，不但对电机电机绝缘造成损害，同时还会对电网造成了严重的冲击，影响电网上其他设备的稳定运行。
另外，电机在直接启动时，由于管网内水量在极短时间内的发生巨大变化，有可能产生“水锤效应”，对管网设备寿命极为不利。
（3）阀门控制时节流损耗大
由现场调查得知，其中一台水泵阀门开度仅为30%，水泵长期处于“憋泵”状态，加速了阀体自身磨损，导致阀门控制特性变差，同时还会有部分能耗消耗在节流损失中。
（4）低功率因数
电机功率因数不高（额定0.89，实际功率因数更低），降低了设备电能的使用效率。
2.变频改造后系统分析
水泵是典型的变转矩负载。
变转矩负载的特性是转矩随速度的上升而上升。
水泵的电动机的轴功率p与其流量q，扬程h之间的
关系式如下：
p∝q×h （1）
当流量q1有变化到q2时，电动机的转速为n1、n2,此时q、p、h相对于转速的关系如下：
q2=q1×(n2/n1)（2）
h2=h1×(n2/n1)2（3）
p2=p1×(n2/n1)3 （4）
而电动机的轴功率p和转矩t的关系为：
t∝p/n（5）
因此，t2=t1×(n2/n1)2（6）
由式（3）和式（6）可以看出，水泵的电动机的轴功率（功率输出）与转速的3次方成正比，而转矩与转速的2次方成正比。
图01（a）显示出了水泵的压力与流量的关系曲线，图01(b)显示出转矩与电机速度的关系曲线：
从图01(b)中可以看出，在低速时，电动机功率会有很大的下降。
由于水泵运行于额定转速以上是恒定功率调速，此时水泵效率很低，机械磨损很大，容易损坏电机。
从理论上讲，速度降低10%时会带来30%左右的功率下降，由于功率的大幅度降低，可获得显著的节能效果。
下表为速度降低后的理论节能表：
另外，根据水泵工作原理与运行曲线，我们可以得到下图中的100％转速运行特性曲线（阻抗曲线），这条曲线配合水泵在不同流量运行时可以得到在未应用变频调速情况下使用阀门调节流量时的功率。
采用阀门控制、变频控制时水泵能耗特性如下图：由此可见，采用变频调速装置调节流量时，水泵消耗的功率几乎是理论最低耗能值。
在流量为60%时,阀门控制消耗电机额定功率的约85%，而变频控制只有消耗电机额定功率的约25%。
采用变频调速装置在泵类等具有平方转矩特性的负载时，可以节约大量的能量。
无功功率消耗不但增加线损和设备的发热，更主要的是使设备使用效率低下，浪费严重。
由公式
p=s*cosф
q=s*sinф
其中：s－视在功率，p－有功功率，
q－无功功率，cosф－功率因数，
可知cosф越大，有功功率p越大，普通水泵电机的功率因数在0.6-0.7之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，cosф≈1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率，更重要的是使水泵工作效率总是处于最佳工作状态。
由于电机为直接启动或y/δ启动，启动电流等于4~7倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且还对电网容量要求过高，启动时产生的震动和冲击对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。
而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，同时通过对升速时间的预置来延长启动过程，使启动过程中的动态转矩大为减小，从而能有效地避免“水锤效应”的产生，极大减小了对管道、阀门及检测元件的冲击，延长了设备和阀门的使用寿命，节省了设备的维护费用。
同样在停机时，采用变频软停止，也能有效的避免“水锤效应”。
3.改造后节能效果分析（以单台循环水泵为例）
（1）水泵系统阀门调节时耗电成本（m1）
根据电机设备参数可知，阀门全开的水泵电机运行电流约71a，当阀门开度为30%的水泵电机运行电流为55a，因此在阀门控制时消耗功率为
p阀 =√3uicosφ= 1.732×6000×55×0.89 = 508kw
全年以8500小时运行时间计算，则年度耗电量为：
年度耗电量 =508kw×8500h = 4318000kwh
电费以0.63元/度计算，则年度耗电成本为：
年度耗电成本（m1）=4318000kwh ×0.63元/kwh = 2720340元
（2）水泵系统变频调节时耗电成本（m2）
设电机效率为98%，变频器效率为97%，额定流量时轴功率为630kw。
目前循环水用户的实际需求量在2500-3000m3/h，而单台循环水泵的输送能力为1872 m3/h，因此在满足用户最大循环水需求量时另外一台输送水量只需1128 m3/h，那么在使用变频器后，根据泵类负载转速、流量关系设定频率为35hz即可满足工艺要求。
由于此次改造只针对其中一台水泵电机，因此，对于有工频泵和变频泵同时运行的循环水泵系统，为保证管网设备的更安全运行（特别是要满足最低压力要求0.45mpa），可将频率调整至39hz，那么采用变频器后，在变频运行时（阀门全开），由流体力学知识可知，电机输出功率为：
p电机 =p额×(n2/n1)3÷η1÷η2 =630×（39/50）3÷0.98÷0.97 = 314.5kw
年度耗电量：= 314.5kw×8500h = 2673250kwh
年度耗电成本（m2）= 2673250kwh×0.63元/kwh = 1684148元（3）年度直接节电效益（m3）
节电率 = （p阀– p电机）/ p阀 = (508-314.5)÷508 = 38% 年度节电效益（m3）= m1 – m2 = 2720340 –1684148 =1036192元
（4）年度间接节省效益（m4）
延长电气设备以及水泵、管道等设备寿命，降低设备维护维修费用（暂无法估计，但从长远来看，其节省经济效益应该是相当可观的）。