水泵节能方案

水泵节能方案

王曦东

四川爱德中创建设工程有限公司，四川成都 610021

摘要：水泵采用变频器控制会增加一些初期的建设成本，可是后期的运行成本的节约是非常显著的，比我们简单的选用更高一级能效的电动机会有更好的节能效果。

引言：

随着能源紧张和环保要求的提高，现在对节能提出的越来越高的要求。尤其对于高耗能的产业，节能的迫切性更是迫在眉睫的，以至于上到企业决策者，下到施工工人，大家或多或少了解一些节能的知识。节能的关键，主要还是取决于前期建设阶段的设备选用。

在企业前期建设过程中，我们可以随时听到相关管理人员在谈论设备节能，可是他们所指的节能，大部分仅限于设备的能效，我们都知道国家要求，电气设备能效标准不能低于三级，我们在设备选择时，也都会满足设备的能效要求，为了节能，我们甚至还会选择一级能效的产品，这样我们就会觉得后期肯定会有很大的节能空间。

这种从提高设备能效等级方式去进行节能的思想，肯定是有道理的，可是却不是全面的。今天我们以各企业普遍采用的电动机水泵为例，从产品能效和调速工艺方面来进行一下节能探讨。

能效等级差异形成的节能效果：

首先我们从产品能效方面来探讨一下。能效主要指电动机在标准规定的测定条件下，所允许的电动机效率的最低保证值。根据GB18613-2012《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》中规定,能效限定值是强制性的。举例来说，对于功率P2=90KW、4极电动机，一级能效要求效率不低于96.2%，二级能效不低于95.2%，三级能效不低于94.2%。按照这个要求，我们以90KW功率电动机为例，输入功率公式为P1=P2/η,因此对于一级能效和二级能效的节电功率差额ΔP12=P/η2-P/η1=90/0.952-90/0.962=0.9827KW.

同样对于1级能效和三级能效的节电差额ΔP13=P/η3-P/η1=90/0.942-90/0.962=1.986KW和二级能效和三级能效的节电差额ΔP23=P/η3-P/η2=90/0.942-90/0.952=1.004KW.

简单表述为对于90KW电动机，选用一级能效电动机比选用二级能效电动机节省功率为0.9827KW,比选用三级能效电动机节省功率为1.986KW.选用二级能效电动机比选用三级能效电动机节省功率为1.004KW.

调速工艺差异形成的节电效果：

现在我们看一下在施工工艺方面通过采用变频器调节流量及压力和通过采用改变阀门开度调节流量和压力在节能的方面的差别。根据转速公式n=60f(1-s)/p,其中n为转速，f为电源频率，s为转差率，p为电动机极对数。由上式可知，电动机转速n同电源频率基本成正比。根据水泵的负载特性，n1/n2=Q1/Q2,(n1/n2)2=H1/H2,(n1/n2)3=P1/P2,其中Q1、Q2为流量，H1、H2为压力（扬程），P1、P2为轴功率。也就是通过水泵的流量同转速成正比，压力（扬程）同转速的平方成正比，水泵轴功率同水泵转速的三次方成正比，又转速同电源频率成正比，故通过变频器调节电源频率，可以改变转速，从而改变扬程和输出功率。因为水泵的容量是根据最大的流量和扬程确定的，同实际需要存在较大的可调整空间，所以调整水泵的转速不会使水泵过载或者烧毁。

现在我们以凯泉 250KQW500-44-90/4水泵为例进行一下示范。此型号水泵的额定功率为90KW,流量为500m3/h,扬程为44m,额定转速为1480RPM。因水泵扬程同水泵流量的平方成正比，考虑到水泵扬程对使用的影响，我们选择四种满足实际使用的工况，即取额定流量的0.95倍，0.9倍，0.85倍和0.8倍，此时对应的扬程将分别为44*0.952=39.71米、44*0.92=35.64米、44*0.852=31.79米和44*0.82=28.16米。当扬程是28.16米时，对于水泵的正常使用，应该还是可以满足要求的。

当水泵运行在95%额定流量状态时，此时水泵功率为P=PN*(n1/n2)3=PN*(Q1/Q2)3=90*(0.95)3=77.16KW.当水泵运行在90%额定流量状态时，此时水泵功率为P=PN*(n1/n2)3=PN*(Q1/Q2)3=90*(0.9)3=65.61KW.当水泵运行在85%额定流量状态时，此时水泵功率为P=PN*(n1/n2)3=PN*(Q1/Q2)3=90*(0.85)3=55.27KW.当水泵运行在80%额定流量状态时，此时水泵功率为P=PN*(n1/n2)3=PN*(Q1/Q2)3=90*(0.8)3=46.08KW.

当我们采用传统的改变阀门开度的方法调节流量时，这时我们根据水泵的性能曲线，见下图;

可以大概查出当流量为额定流量的0.95倍，即450m3/h时，水泵的扬程大概为45m,根据水泵功率P=KQH/η1η2,可知水泵功率同流量和扬程的乘积成正比，故我们可以算出此时水泵的功率为P=90*500*0.95*45/(500*44)=87.44KW.当流量分别为额定流量的0.9倍、0.85倍、0.8倍时，对杨的扬程依次为46m,47m和47.5m。此时对应的水泵功率依次为84.68KW,81.72KW和77.73KW.

由上可知，上述两种调节水泵流量的方式相比较，在水泵流量分别为水泵额定流量的0.95倍时，水泵节电为87.44-77.16=10.28KW，当水泵流量为额定流量的0.9倍，0.85倍，和0.8倍时，对应的水泵节电分别为19.07KW,26.45KW和31.65KW.

按照一年运行8760小时，当水泵运行在0.95倍额定流量工况时，一年节约用电8760*10.28=90052.8KWH,一年节约电费按照0.5元/KWH计算，可以节约45026.4元。假设采用ABB ACS-510-01-195 A-4 110KW变频器，价格约为19000元一台，采用变频器的投资回收期为T=19000/45026.4*12=5个月。当然这是一种理想情况。考虑到水泵采用一用一备，每年运行6000小时，此时的投资回收期T=12*19000/(10.28*3000)=7.39个月。

当水泵采用一用一备，每年运行6000小时，且对应的工况分别为额定流量的0.9倍，0.85倍和0.8倍时，对应的投资回收期分别为T=12*19000/(3000*19.07)=3.99个月,T=12*19000/(3000*26.45)=2.87个月,T=12*19000/(3000*31.65)=2.4个月

可见，当水泵流量同额定流量差别越大，水泵采用变频调节相比水泵采用改变阀门开度调节会越节约电费，后期的运行费用会越底。

实际使用中，水泵的各种工况当然会是都存在的，会优选某个满足使用的工况为主。不管各种工况怎样变化组合，水泵采用变频调节的节电效果总是明显优于采用改变阀门开度调节流量的节电效果的。

我们也可以明显看到，采用变频调节的节能效果，也会明显好于单独追求采用更高级能效的电动机的节电效果。

当然这里忽略了水泵效率、变频器效率以及实际使用中的运行工况的差异等很多问题，只是大概的介绍了一下水泵采用变频器节电的效果。

结束语：采用变频器进行节电，节电效果是非常显著的。这已经成为很多人的共识，可是很多企业的领导者并不了解采用变频器控制的具体好处，或者他们也知道使用变频器会省电，可是他们更加关注的是的前期建设成本的增加，对于企业后期的运行成本并不怎么关注，如果采用变频器控制，只会给他们造成增加投资的错觉。

希望通过这个简单的示例，能够对大家节能认知有所改变。

参考文献：《工业与民用配电设计手册》第四版