能源研究与信息  2015, Vol. Issue (1): 28-32   PDF    
引用本文
雷会玉, 余晓明, 朱祥政, 张晓. 上海某大型污水泵站变频泵节能运行分析[J]. 能源研究与信息, 2015, (1): 28-32.
LEI Huiyu, YU Xiaoming, ZHU Xiangzheng, ZHANG Xiao. Analysis of the energy-saving operation of a variable frequency pump in a large sewage pumping station in Shanghai[J]. Energy Research and Information, 2015, (1): 28-32.
上海某大型污水泵站变频泵节能运行分析
雷会玉, 余晓明, 朱祥政, 张晓    
上海理工大学 能源与动力工程学院, 上海 200093
收稿日期: 2013-11-15;
作者简介：雷会玉(1989-),男,硕士研究生.研究方向:制冷与低温工程.E-mail:leihuiyu163@163.com
摘要：对上海某大型污水泵站的节能方案进行了分析讨论,简要介绍了通用污水泵站的概况以及原有的水泵变频控制技术.依据该泵站现有的运行条件,分析了供水泵站和排水泵站水泵变频运行的必要性以及排水泵站变频节能的基本原理.在原有控制基础上提出了变频泵的节能控制方案,对变频调速的水泵采用最小轴功率法进行最优控制,以改善该泵站的能耗水平,使水泵机组在满足安全运行的条件下能尽量高效运行,达到节能运行的目的.
关键词： 通用机械     变频     节能     泵    
Analysis of the energy-saving operation of a variable frequency pump in a large sewage pumping station in Shanghai
LEI Huiyu, YU Xiaoming, ZHU Xiangzheng, ZHANG Xiao    
School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
Abstract: The energy-saving program for a sewage pumping station in Shanghai was discussed in this paper.The overview of common sewage pumping station and the existing pump variable frequency control technology were briefly introduced.According to the existing operating conditions of the pump station, the necessity of variable frequency operation for feed pumping stations and drainage pumping stations was analyzed, and the fundamental principles of the energy-saving for variable frequency operation in drainage pumping stations were studied.The energy-saving control program of variable frequency pump was then proposed according to the original control basis.The pump was also optimally controlled using the minimum shaft power method, which favored improving the energy consumption level for the pump station.This study could make the pump meet the standards of safe operation, as well as the high efficiency and the energy-saving.
Key words: general machinery     variable frequency     energy-saving     pump    

随着城市规模逐渐扩大,人口不断增加,水环境污染问题已成为一大难题.我国正处于城市污水处理事业的快速发展时期,但相对于发达国家而言,起步较晚,技术较为落后,污水配套管网建设相对滞后,设施建设不平衡.目前城市平均污水处理率为77.4％.“十二五”期间我国将进一步提高污水处理率,计划到2015年城市污水处理率达到85％[1],但仍远低于同期发达国家水平.

泵是将原动机的机械能转换成流体的压力能和动能的一种动力设备,其使用范围十分广泛,耗能也较大.2011年水泵用电量占全国电量的21%左右,其中离心泵用电量约占水泵用电量的70%[2].我国现阶段水泵的能耗情况不容乐观,水泵的能量浪费现象十分严重.本文主要对上海某大型污水泵站进行节能分析,并在原有控制基础上提出了变频泵的节能控制方案,有助于改善该泵站的能耗水平. 1 概 述

上海某大型污水泵站是上海污水处理南干线的主要泵站之一,主要用于提升城市污水的高度,使其流向下一级泵站,完成污水的输送.该泵站共有6台污水泵,其中5用1备.2台变频器可同时控制2台水泵变频.其中:1号和4号泵为定速泵,1台变频器控制2号或3号泵的变频,另1台控制5号或6号泵的变频.污水泵为立式蜗壳混流泵,额定功率为1 600 kW,额定流量为7.5 m3·s-1,额定扬程为13.5 m.泵站每年耗电量高达数千万kW·h.由于水泵设计容量都偏大,因此泵站的节能潜力相对较大[3].

泵站结构工艺图如图 1所示.污水泵设置于前池和高位井之间,其中前池又分为南前池和北前池,中间相通.每台污水泵使用一条单独的输送通道将污水由前池输送至高位井.泵站的设计污水流量为:雨季高峰流量为31.28 m3·s-1,低峰流量为6.10 m3·s-1.

图 1 泵站结构工艺图 Fig. 1 The workflow of the pumping station
2 泵站基本控制

泵站设计时的控制模式主要考虑需满足流量要求和安全运行.泵站控制模式主要有:① 正常运行方式:主要针对液位变化,开启一定数量的水泵;② 最低操作费用方式:旱季时,由于污水量较少,一般将水泵的启动液位提高200 mm,以降低水泵的输送扬程;③ 最大第一次进流量方式:当雨量较大时,利用变频泵尽可能控制前池的水位,使其在1台泵的停泵液位以上约200 mm;④ 小流量方式:污水较少时,启动变频泵.

泵站对污水泵的控制主要根据上一级泵站的来水流量Qe和前、后级的泵站水位情况进行综合控制.泵站主要根据来水流量的变化,由前池的液位信号决定污水泵的启动数量和顺序.原设计中污水泵启动数量与液位如表 1所示.

表 1 污水泵启动数量与液位 Tab. 1 The number and liquid level of started sewage pumps
3 泵站节能分析

泵站根据来水流量控制污水泵启动数量,而且优先开启变速泵,这一定程度上可降低水泵的能耗[4].但是设计时,没有对泵站污水泵启动数量进行最优化计算,因此,不能仅根据来水流量变化进行调整,以使每台泵都能运行在最佳效率区,从而使泵站的综合能耗达到最低[3]. 3.1 提高前池启动液位

研究[4]表明,提高前池启动液位可减少液位差,从而有助于减少附加的扬程损失,提高水泵的运行效率.因此,本文拟将前池启动液位提高.改造后的污水泵启动数量与液位如表 2所示.

表 2 改造后的污水泵启动数量与液位 Tab. 2 The number and liquid level of started sewage pumps after transformation
3.2 泵运行效率计算[5, 6]

由泵站测得的电动机输出轴功率Pa、水泵流量Q和扬程H可计算泵运行效率η.

泵的输出功率

式中:ρ为污水密度；g为重力加速度,g=9.8 m·s-2.

泵运行效率

由泵站2012年12月30日的运行数据可计算得到2号泵的运行效率η,结果如表 3所示.由表 3可知,该泵站还有很大的节能空间.

由表 3可看出,泵的额定效率与运行效率之差约为12%~15%.考虑到实际过程中泵本身的运行效率比额定效率低,且功率数据传输存在误差,因此可估算出2号泵运行时的节能潜力约为6%~8%.

表 3 2号泵运行效率计算结果 Tab. 3 The operating efficiency calculation of No.2 pump
4 泵站运行变频控制 4.1 对水泵采取有效的变频控制技术

根据来水流量变化使每台泵都能运行在最佳效率区,并尽量使水泵机组总的轴功率∑Pa最小.运行时,使变频泵处于高效运行区可达到节能的目的.同时,在有两台变频泵开启时,令变频泵总的轴功率最小,这样的控制模式节能效果更好[7].下面对水泵机组的轴功率进行建模分析.

使用最小轴功率法控制,即以轴功率最小为目标函数求取最优解[8, 9].

目标函数为

约束条件为

式中:m为泵站水泵最大运行台数；ωi取0 或1,分别表示i号泵是否为参与运行的决策变量；Pi为i号泵的功率；He为管路所需扬程；Hi为i号泵的扬程；ΔH为前池与高位井的液位差;ΔHmin为前池与高位井最小液位差；ΔHmax为前池与高位井最大液位差；S为管路阻抗； A为前池液面表面积;h为前池液位;t为时间;dh/dt为前池液位变化率,可由前池超声波液位计测得;Qi为i号泵的流量.

泵站只有两台变频泵,因为定速泵的功率恒定,所以最小轴功率法中泵的运行台数可只考虑两台变频泵的情况,即m=2.由于泵的进口流场不同,管路特性曲线共有3条,其中:1、4号泵的管路特性曲线近似为同一条曲线；2、5号泵的管路特性曲线近似为同一条曲线；3、6号泵的管路特性曲线近似为同一条曲线.下面使用最小轴功率法对两台变频泵进行节能运行分析. 4.2 单台变频泵运行

来水流量Qe在6.1~35 m3·s-1间变化,液位上升到-1.5 m 时变频泵启动.为了降低启动电流,将泵转速n调至满转速n0的60%,启动2号泵[7].单台泵运行时Q-H图如图 2所示.

图 2 单台泵运行时Q-H图 Fig. 2 The Q-H diagram of single pump running

此时,根据2号泵的管路特性曲线,由ΔH得到来水流量Qe与特性曲线的交点E(如图 2所示),得出E 点对应转速n2,然后再查对应的效率η2.依此可判断,当2号泵的流量Q2=Qe时,其是否在高效区内运行.若不在高效区则不宜将Q2 调节到Qe,而需要将2号泵的流量向高效区调节,但这必然导致Q2<Qe 或Q2>Qe.因此需要针对各种情况进行相应处理.

(1) 如果E点已处在高效区内,则可将2号泵的转速调至E点所对应的转速n2,并使2号泵达到稳定运行即可.

(2) 如果E点处在高效区外,则不宜将2号泵的流量Q2调节至Qe,而应将2号泵的流量向高效区方向调节,使泵处于高效区运行.

(3) 当来水流量Qe很小时,2号泵运行一段时间后,将逐步达到停泵液位,导致2号泵停泵.但是为了防止泵的频繁启停,可在液位达到停泵液位之前,将泵的转速调至n2.例如,停泵液位为-3.2 m时,可设定当液位达到-3.0 m 时,将泵的转速调至Q2=Qe对应的转速.即便泵的运行点处于非高效区,也要保证泵的正常安全运行[8]. 4.3 两台变频泵运行

当将2号泵的流量调节到高效区后,其实际转速n小于E 点所对应的转速n2,即2号泵的流量调节到高效区后实际流量Q2<Qe,泵的流量无法满足来水流量,将会使前池液位逐步上升.当液位上升至第二台泵的启动液位-1.2 m 时,启动第二台变频泵,并使第二台变频泵的转速为满转速的60％.第二台变频泵编号i=5,即启动5号变频泵.两台变频泵同时运行时Q-H图如图 3所示.

图 3 两台变频泵同时运行时Q-H图 Fig. 3 The Q-H diagram of two simultaneous running variable frequency pumps

此时,由ΔH 可得到5号泵Q-H曲线与5号泵的管路特性曲线的交点I,I即为此时该泵的稳定运行点,对应流量为Q5.2号泵调速后的稳定运行点为J点(J点已在高效区),J点对应转速n2,Qe与管路特性曲线相交于F点[8].

(1) 若可将两台变频泵的流量分别调节至高 效区,且符合Q2+Q5=Qe.则可通过计算Min F=

,最终确定两台变频泵的最佳流量点.

若在高效区无法满足Q2+Q5=Qe.则

(1) 当两台泵在高效区运行时,流量无论怎样组合都有Q2+Q5>Qe,而单开一台泵时的流量又小于来水流量Qe.

此时,如果按照最小轴功率法,将转速都调至满转速的60%,会使前池液位下降,达到停泵液位.之后又由于一台泵的流量满足不了来水流量,使液位上升至第二台泵的启动液位,很容易造成泵的频繁启停.这时可采取只启动一台泵,使单台泵的流量Q=Qe ；也可启动两台泵使∑Q=Qe ；或在单泵运行和双泵运行模式间进行切换[8].可采取最小轴功率法,计算出哪种模式功耗相对较小,并调节转速到各台泵所需流量对应的转速[10].

(2) 若两台泵在高效区运行时,流量无论怎样组合仍有Q2+Q5<Qe,即来水流量较大的情况.对于两台变频泵按照最小轴功率法求出最佳的流量组合,并将各自的转速调节至与各自高效区流量对应的转速.

由上述分析可知,通过计算Min F=,

可求出最小轴功率时变频泵的流量,从而可将泵调至最佳转速,使运行过程处于最节能状态. 5 泵站节能运行的其它方法

由于该节能方案是在现有条件下进行的改进,存在局限性,不能获得较大的节能效果.因此,还可从其它方面考虑泵站的节能问题. 5.1 六台泵全变频控制技术

来水流量过大时,两台变频泵的调节能力有限,因此可采用六台变频泵进行综合控制,以取得更好的节能效果.实际使用中在考虑成本合理的情况下,可考虑全变频控制技术[11]. 5.2 增加对高位井的控制

在污水泵站中,前池和高位井的液位都不是由泵站本身控制,而是由排水公司总控制中心统筹控制.控制时主要是考虑下一级泵站的排水能力,防止流量超出其排水能力.该泵站的下一级泵站是两个泵站的汇合处,流量设计值是前两个泵站的流量和.为了防止流量过大,超出其排水能力,前两级泵站的高位井液位都由总控制中心控制. 6 结 论

本文主要对上海某大型污水泵站变频泵进行节能分析,并在原有控制基础上提出了变频泵的节能控制方案,以降低该泵站的能耗水平.本改造方案的主要思路是在满足来水流量时,尽量使变频泵在高效区运行,对不能在高效区运行且满足流量要求的情况进行了讨论.

本文还对其它节能方案进行了探讨,提出了采用水泵全变频控制以及增加对污水泵站高位井的液位控制等节能方法.采用变频设计提高泵的运行效率将更加节能,并符合节能环保的大趋势.

参考文献
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