[关键词] 高压变频器 调速运行 节能
1、 引言：
在泵站供水系统中,常常是多泵供应多个用户，同时内部管路进行联网，能做到互为备用。在设计初期多个用户的用量是基本一致的。但经常有个别终端的用户常会由于工况改变，工艺调整，供应面积变化等原因，其供水量会小于原设计的容量，这时就出现了用大泵往出输送小水量的情况。
北京燕化公司动力事业部一供水车间的其中一路供水用户的用水量较小,其总需求量不到水泵额定容量的三分之一。运行时档板开度很低，在运行时泵压较高，不但是电能浪费较大。同时用档板调节时，由于其开度与流量的非线性特性，往往一个很小角度的调节，其流量就发生很大的变化。
在北京燕化公司动力事业部一供水车间附近，有一个小流量水渠，其地表流量与用量较小的用户终端的使用量相近。在2004年，北京水务局从北京水资源的充分利用出发，要求北京燕化公司将这个小流量地表水利用上，以优化水网的资源调配。但是实际的供水调配时，由于其小流量地表水流量与用量较小的用户终端的使用量相近，而泵的容量较大，用档板调节时，不是供水量不足，就是将小流量地表水抽干，无法对其进行利用。
为充分利用珍贵的水资源和电力资源，北京燕化公司动力事业部一供水车间对3号泵进行调速改造，通过高压变频器能对转速无级精密调节的功能，使大流的量3号泵能顺利抽取小流量的地表水渠中的水满足用户终端要求而不出现抽空现象。
2、 燕化公司一供水车间3号泵参数与改造方案简介：
（1）、燕化公司一供水车间3号取水泵参数：
名称：离心式清水泵 型号：24SA—10A
扬程：39m 流量：2700 m3/h
允许吸上真空高度：4.8 m 转速：730 r/min
功率：319KW 配用功率：360KW
生产日期：1975年5月 重量：4100Kg
生产厂家：长沙水泵厂
（2）、3号取水泵配套电动机参数：
名称：异步电动机 型号：JS158-8
额定功率：380KW 额定电压：6000V
额定电流：47A 环境温度：35℃
转速：740 r/min 绝缘等级：A
接法：星 重量：4100 Kg
技术条件：OAG.510.004 序号：750259
生产日期：1975年6月
生产厂家：湘潭电机厂
（3）、北京燕化公司动力事业部一供水车间3号泵取水网简介：
在北京的颐和园水系中，有一路从燕山下来的小流量天然水道，其流量较小，平均仅在1000 m3/h左右，但是其水质较好，在汇入总水系前，其能作为优质水源而直接利用。
北京燕化公司动力事业部一供水车间3号泵的进口管道经过多管路的组合，即可以从主干渠中取水，宜可从小流量地表水渠取水，其形式如图所示：
图1 3号泵取水系统
在图中，用水终端的用水为880m3/h，小流量地表水的流量约为1000 m3/h。在用3号泵进行小流量地表水取水的测试中，用出口阀调节出水的流量，由于阀调节流量的精度较低，同时从取水到时供水的管路都较长，在达到时终端用水要求时，其输出流量多出用水终端较多。随着小流量地表水的早晚流量的变化,出现了将小流量地表水抽干的现象。经过多次调节，由于精度不够，不时出现用水终端供水不足，再就是小流量地表水抽干，并出现了几次水泵打空，险些出现水锤事故。
在这种情况下，只好放弃对小流量地表水的应用。这样不但是小流量的水资源白白的浪费，而且由于从主干渠取水的管道比从小流量地表水要长出近一倍多，又浪费了大量的电能，并占用了大量的管道资源。
（4）、北京燕化公司动力事业部一供水车间3号泵调速改造方案：
为充分利用水源资和节能增效，通过大量的分析与调查，确定利用高压变频器对电机速度调节精度高，输出力矩稳定的特点，采用档板全开运行，在低转速下能实现小流量，低泵压的精细流量输出。故北京燕化公司动力事业部确定用变频调速的方案可以使额定流量为2700 m3/h的离心水泵稳定输出880m3/h的水量，达到利用小流量地表水为小水量用户供水的目标。
北京市水务局于2004年12月份投资采用哈尔滨九洲电气股份有限公司生产的高压变频调速装置对3号泵进行改造。
1、 变频调速节能的原理分析：
（1）、离心泵负载的相似理论
离心泵的流量，运行压力，吸收轴功率这三个基本参数与转速间的运算公司极其复杂，同时离心泵类负荷随环境变化参数也随之变化，在工程一般根据离心泵的运行曲线，进行大致的参数运算，称之为离心泵类负载的相似理论：
Q / Q0 = n / n0
H / H0 = （ n / n0 ）2（ ρ / ρ0 ）
N / N0 = （ n / n0 ）3（ ρ / ρ0 ）
式中： Q —— 离心泵流量 H —— 离心泵全压 n —— 离心泵转速 ρ—— 介质密度 N —— 轴功率
离心泵流量Q与电机转速n成正比。（Q∝n）
离心泵压力H与电机转速n的平方成正比。（H∝n2）
离心泵轴功率N与电机转速n的立方成正比。（N∝n3）
（2）、离心泵在额定工况下运行的特性曲线
图2 离心泵特性曲线（β=90º）
⑴H—Q曲线：当转速为恒定时，表示离心泵压力与流量间的关系特性。
⑵N—Q曲线：当转速为恒定时，表示离心泵轴功率与流量间的关系特性。
⑶η—Q曲线：当转速为恒定时，表示离心泵的效率特性。
从中可以看出，离心泵的轴功率和离心泵压力相交处即为效率最高点。
（3）、电动机容量的计算：
其中：
P ——离心泵电动机所需的输出轴功率（kW）；
Q ——离心泵流量（m3/s）；
H ——离心泵压力（kg/m2）；
——传动装置的效率；直接传动为1.0，皮带传动为0.9～0.98,齿轮传动为0.96～0.98。
——离心泵的效率；
102 ——由kg•m/s变换为kW的单位变换系数；
（4）、通过改变离心泵的管网特性曲线来实现对离心泵的介质流量的调节通常的办法是通过调节挡板的开关程度来实现的
图3、不同管网的特性曲线离心泵流量的特性曲线
如图所示。
离心泵档板开度一定时，离心泵在管网特性曲线R1工作时，工况点为M1。
离心泵挡板关小，管网特性曲线变为R2，工况点移至M2。
离心泵挡板再关小，管网特性曲线变为R3，工况点移至M3。
从上面的曲线分析，通过调节离心泵档板的开度，管网的特性参数将发生改变，输出流量发生变化，这样就达到了在定速运行时调节离心泵输出流量的目标。
在调节离心泵流量的过程中，离心泵的性能曲线（H—Q曲线）不变，工况点沿着离心泵的性能曲线（H—Q曲线）由M1移到M2，特性曲线由R1变为R2，风机输出流量由Q1变为Q2。这时离心泵随着输出流量的减少，离心泵的压力相应上升。
这种调节流量方法简单，操作容易。但是在流量减少的同时，离心泵压力同时上升，而经过档板后的运行压力却又很低，这样使大量的轴功率消耗在离心泵体的内部压力的无效损耗上，不但浪费了大量的能源，同时由于泵体内压力较大，其机械结构的损害也较大。
（5）、通过改变离心泵的转速来实现对离心泵的流量调节
在离心泵的管网特性不变情况下，改变离心泵的转速，使离心泵的特性曲线（H—Q曲线）平行移动，工况点将沿着管网特性曲线移动，达到调节离心泵流量的目的。
图4、离心泵在不同转速时的特性曲线
当离心泵转速为n1时，离心泵的压力-流量曲线与管网特性曲线R相交于M1点。
当离心泵转速为n2时，离心泵的压力-流量曲线与管网特性曲线R相交于M2点。
当离心泵转速降低，流量降低的同时，离心泵的压力也同时随之降低，这样，在调低流量的同时，离心泵内部压力也随之下降，具有极好的节电效果。
这种方法不必对离心泵本身进行改造，转速由外部调节，离心泵档板可处于最大点保持不变，并能实现无极线性调节流量。
（6）、采用改变离心泵转速调节流量与采用改变离心泵档板调节流量消耗功率的差值
采用改变离心泵转速和改变管网特性进行离心泵输出流量的调节，在调节相同流量的时候，其离心泵的特性曲线（H—Q曲线）变化不同，二种调节方法的运行工况点也不同其运行的对比图如下
图5、离心泵转速调节与档板调节的特性曲线对比
●在额定流量Q1时：
离心泵档板为额定开度，其管网特性曲线为R1，离心泵转速为额定转速，其特性曲线为n1，此时离心泵处于额定出力的状态，转速调节和档板调节的工况点重合，处于M1点，此时两种调节方式的消耗轴功率是相同的。
●在运行中需输出流量Q2时调速运行离心泵消耗轴功率：
调节离心泵转速将流量调为Q2，这时离心泵的特性曲线（H—Q曲线）平行下移，工况点处于M2点，离心泵压力变为H2。其消耗的轴功率为 ：
