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摘要：简述水泵变频调速节能原理，对钢铁厂工业水泵采用变频调速装置控制方式和传统控制方式进行对比，分析了工业水泵采用变频调速装置进行节能改造具有很大的潜力空间。
关键词：泵类负载 工业水泵 变频调速 节能
中图分类号：U264.91+3.4文献标识码：A文章编号：
前言 在现代钢铁厂中，必须配备多种功能的水泵，主要有生产供水泵、冷却塔上塔泵、冲渣水泵、取水水泵，其次还有排水泵、泥浆泵、过滤器反洗泵、生活水泵、除尘水泵、消防水泵等。这些水泵数量多，总装机容量大：以年产100万吨钢铁厂为例，钢铁生产设备主要配套水泵的总耗电量约占全部设备用电量的50％左右。由此可见，水泵耗电量在钢铁厂总耗电量中占有很大比重。因此，提高水泵的运行效率，降低水泵的电耗对降低厂用电率具有举足轻重的意义。我国大部分工厂中除少量采用汽动给水泵，液力耦合器及双速电机外，其他大部分水泵基本上都采用定速驱动。这种定速驱动的泵，由于采用出口阀调节流量，都存在严重的节流损耗，使水泵运行效率大大降低，因此水泵运行效率有着很大的节能空间。 1泵类负载的两种流量调节方法及原理 泵类负载通常以输送的液体流量为控制参数,目前常采用阀门控制和转速控制两种方式。 1.1 阀门控制
改变离心泵流量最简单的方法就是利用泵出口阀门的开度来控制，这是一种相沿已久的机械方法，其实质是通过改变管道中流体阻力的大小来改变流量的。因为泵的转速不变，其扬程特性曲线H-Q保持不变，如图1所示， 当阀门全开时，管阻特性曲线R1－Q与扬程特性曲线H－Q相交于点A，流量为Qa，泵出口压头为Ha。若关小阀门，管阻特性曲线变为R2－Q，它与扬程特性曲线H－Q的交点移到点B，此时流量为Qb，泵出口压头升高到Hb。则压头的升高量为：ΔHb=Hb-Ha。于是产生了阴线部分所示的能量损失：ΔPb=ΔHb×Qb。
1.2 转速控制
借助改变泵的转速来调节流量，这是一种先进的电子控制方法。转速控制的实质是通过改变所输送液体的能量来改变流量。因为只是转速变化，阀门的开度不变，如图2所示，管阻特性曲线R1－Q也就维持不变。额定转速时的扬程特性曲线Ha－Q与管阻特性曲线相交于点A，流量为Qa，出口扬程为Ha。 当转速降低时，扬程特性曲线变为Hc－Q，它与管阻特性曲线R1－Q的交点将下移到C，流量变为Qc。此时，假设将流量Qc控制为阀门控制方式下的流量Qb，则泵的出口压头将降低到Hc。因此，与阀门控制方式相比压头降低了：ΔHc=Hb-Hc。据此可节约能量为：ΔPc=ΔHc×Qb。与阀门控制方式相比，其节约的能量为：P＝ΔPc-ΔPb＝(ΔHc－ΔHb)×Qb。这一部分能量如图2阴线部分所示。
将这两种方法相比较可见，在流量相同的情况下，轉速控制避免了阀门控制下因压头的升高和管阻增大所带来的能量损失。在流量减小时，转速控制使压头反而大幅度降低，所以它只需要一个比阀门控制小得多的，得以充分利用的功率。而且随着转速的降低，如图3所示，泵的高效率区段将向左方移动。这说明，转速控制方式在低速小流量时，仍可使泵机高效率运行。
2 变频调速在现实钢铁厂工业水泵中引用举例
2.1 在取水水泵上的应用
钢铁厂取水泵站设计选泵时，一般以供水保证率达到95%～99%的最低原水水位时泵站所达到的最大出水量为最低标准。一般在枯水期间，江河水位最低，冬季供水量也少，水泵所需的扬程最高；在丰水期间，江河水位上升，夏季又是高峰供水阶段，供水量最大，但水泵的静扬程不需要很高。由于某些特殊气候原因，非正常供水也可能经常出现，如夏季出现特大干旱，江河水位也可能降至最低点，而此时又是供水高峰期，供水量需求有最大；冬季枯水期时，也可能需要大量供水。若出现上诉情况，按设计规范选择的扬程和流量将变得不再合理，运行能耗和基建投资浪费很大。
而水泵如果采用变频调速，就可以解决变流量运行时水泵的节能要求，因为水泵运行时的轴功率与转速的3次方成正比，即Pz=Kn3,当转速下降时，其轴功率相应的降低，因此水泵所消耗的电能同样降低，从而取得显著的节能降耗效果。
2.2 在污水处理系统中的应用
钢铁厂的污水处理工艺主流程，都是采用提升泵房、曝气池生化处理、污泥消化及污泥脱水、加药处理等程序。为了使污水排放达标，必须根据流量和各种水质参数来进行监控。如果采用定转速水泵，只能靠调节阀门开度和增减工作台数来调节流量，这种方法增加了管道的阻力，因而许多的能量大多浪费在阀门上，不能达到节能的效果。
随着变频调速器的出线及广泛应用，利用变频器调速范围宽的优势，在阀门开度不变的情况下，适当的调节电机的转速来调节管道中的流量从而来调节待处理污水中的水质参数。同时利用变频器与可编程控制系统PLC的通讯，再配合各类检测元件，利用PLC的逻辑算法就能很容易的实现污水流量与水质参数的自动控制，从而整套污水处理设备工作在较高的效率点上，达到了节能的效果。同时由于采用了变频调速及PLC自动控制系统，使得原本繁琐的人工操作变得简单并且更加直观化，即减轻了企业生产中的工人劳动强度，提高了工作效率，又节省了企业的人工成本。
2.3 在给水处理过程中的应用
给水处理的工艺流程，一般为进水、进配水、絮凝沉淀、过滤、入清水池、进配水泵房、送入配水管网；同时还有加药、加氯、加氨等辅助系统，中间还有回流泵房等环节。整个工厂的供水系统各个供水车间的水量变化是相对的，四季的变化系数和日变化系数都很大。流量的变化，关系着整个处理系统的不断变化，如絮凝沉淀、各种过滤的处理程序、加氯、加氨及加药量的随机变化，以及回流泵房等，都需要采用各种先进的监控技术来进行控制。
采用变频控制系统，可以改变计量泵的转速，从而改变计量泵的出料速度，配合PLC自动控制系统及各类测量传感器、控制仪，经与设定值的对比、判断后，通过PLC控制系统的逻辑算法，对变频器进行调节，从而将计量泵调至对应的工作状态，使之按要求向水中投放定量药剂。然后传感器再对水样进行检测，并通过PLC自动控制系统进行投药量的再调节。如此循环往复，连续运作，实现连续的自动加药并保证整个水处理系统处于最优工作状况。由于采用了变频调速及PLC自动控制系统，使整个水处理系统操作更方便，计量更准确，使用寿命更长，维护更方便，从而即减轻了维护人员的工作强度，降低劳动成本提高了工作效率，又能够节省药剂，提高了水处理过程中的经济效益。3 结语 通过对工业水泵运行方式及在生产中的实际应用分析可以看出，在工业水泵中使用变频调速技术可以提高水泵的使用效率，节省大量电能，并且变频器与PLC（逻辑可编程控制器）相互配合可以实现多种方式的控制、连锁、检测、监控、报警等功能，极大提升了水泵运行时的可靠性。采用PLC系统控制的水泵系统，操作更加简便直观，免去了人工操作的种种繁琐步骤，而且可以在手动、自动、单机、连锁等多种控制方式下切换，使水泵的控制方式变得更加多样化，能够更好的适应各种生产条件下的运行要求。并且变频器与PLC相配合使生产系统的自动化程度显著提高，维护方便，减轻的操作人员的工作强度，提高了工作效率，在更好的满足企业生产需求的同时又为企业节省了能源、人力、维护等多方面的成本。
不过虽然工业水泵采用变频调速有众多优点，同样也存在一些缺点：
（1）目前，国内变频调速系统的研究非常活跃，但是在产业化方面还不是很理想，市场的大部分还是被国外公司所占据。如果全套设备均采用进口设备，再配套相应的PLC自动控制系统，使得一次投资的成本会加大。
（2）变频调速系统的自动化程度提高，使得相关维护人员的专业素质也必须要相应的提高。
（3）变频调速系统在运行中会产生较大的谐波污染，因此需要同时进行无功补偿和谐波治理。
总而言之，在能源问题日益紧张的今天，对能源的高效利用是对每一个企业提出的要求，变频调速系统在企业生产中将扮演极为重要的角色，虽然变频调速系统仍然存在一些缺点，但是随着科学技术的持续发展，在不久的将来变频调速系统的种种缺点也会逐渐的得到改善，因此变频调速系统在企业的生产节能中发挥的作用是十分巨大的，变频调速系统在改善工厂能源利用率上有着巨大的潜力。参考文献： [1]郭立君.泵与风机.北京.中国电力出版社.2001. [2]孙传森.变频器技术.北京.高等教育出版社.2008.
关键词：泵类负载 工业水泵 变频调速 节能
中图分类号：U264.91+3.4文献标识码：A文章编号：
前言 在现代钢铁厂中，必须配备多种功能的水泵，主要有生产供水泵、冷却塔上塔泵、冲渣水泵、取水水泵，其次还有排水泵、泥浆泵、过滤器反洗泵、生活水泵、除尘水泵、消防水泵等。这些水泵数量多，总装机容量大：以年产100万吨钢铁厂为例，钢铁生产设备主要配套水泵的总耗电量约占全部设备用电量的50％左右。由此可见，水泵耗电量在钢铁厂总耗电量中占有很大比重。因此，提高水泵的运行效率，降低水泵的电耗对降低厂用电率具有举足轻重的意义。我国大部分工厂中除少量采用汽动给水泵，液力耦合器及双速电机外，其他大部分水泵基本上都采用定速驱动。这种定速驱动的泵，由于采用出口阀调节流量，都存在严重的节流损耗，使水泵运行效率大大降低，因此水泵运行效率有着很大的节能空间。 1泵类负载的两种流量调节方法及原理 泵类负载通常以输送的液体流量为控制参数,目前常采用阀门控制和转速控制两种方式。 1.1 阀门控制
改变离心泵流量最简单的方法就是利用泵出口阀门的开度来控制，这是一种相沿已久的机械方法，其实质是通过改变管道中流体阻力的大小来改变流量的。因为泵的转速不变，其扬程特性曲线H-Q保持不变，如图1所示， 当阀门全开时，管阻特性曲线R1－Q与扬程特性曲线H－Q相交于点A，流量为Qa，泵出口压头为Ha。若关小阀门，管阻特性曲线变为R2－Q，它与扬程特性曲线H－Q的交点移到点B，此时流量为Qb，泵出口压头升高到Hb。则压头的升高量为：ΔHb=Hb-Ha。于是产生了阴线部分所示的能量损失：ΔPb=ΔHb×Qb。
1.2 转速控制
借助改变泵的转速来调节流量，这是一种先进的电子控制方法。转速控制的实质是通过改变所输送液体的能量来改变流量。因为只是转速变化，阀门的开度不变，如图2所示，管阻特性曲线R1－Q也就维持不变。额定转速时的扬程特性曲线Ha－Q与管阻特性曲线相交于点A，流量为Qa，出口扬程为Ha。 当转速降低时，扬程特性曲线变为Hc－Q，它与管阻特性曲线R1－Q的交点将下移到C，流量变为Qc。此时，假设将流量Qc控制为阀门控制方式下的流量Qb，则泵的出口压头将降低到Hc。因此，与阀门控制方式相比压头降低了：ΔHc=Hb-Hc。据此可节约能量为：ΔPc=ΔHc×Qb。与阀门控制方式相比，其节约的能量为：P＝ΔPc-ΔPb＝(ΔHc－ΔHb)×Qb。这一部分能量如图2阴线部分所示。
将这两种方法相比较可见，在流量相同的情况下，轉速控制避免了阀门控制下因压头的升高和管阻增大所带来的能量损失。在流量减小时，转速控制使压头反而大幅度降低，所以它只需要一个比阀门控制小得多的，得以充分利用的功率。而且随着转速的降低，如图3所示，泵的高效率区段将向左方移动。这说明，转速控制方式在低速小流量时，仍可使泵机高效率运行。
2 变频调速在现实钢铁厂工业水泵中引用举例
2.1 在取水水泵上的应用
钢铁厂取水泵站设计选泵时，一般以供水保证率达到95%～99%的最低原水水位时泵站所达到的最大出水量为最低标准。一般在枯水期间，江河水位最低，冬季供水量也少，水泵所需的扬程最高；在丰水期间，江河水位上升，夏季又是高峰供水阶段，供水量最大，但水泵的静扬程不需要很高。由于某些特殊气候原因，非正常供水也可能经常出现，如夏季出现特大干旱，江河水位也可能降至最低点，而此时又是供水高峰期，供水量需求有最大；冬季枯水期时，也可能需要大量供水。若出现上诉情况，按设计规范选择的扬程和流量将变得不再合理，运行能耗和基建投资浪费很大。
而水泵如果采用变频调速，就可以解决变流量运行时水泵的节能要求，因为水泵运行时的轴功率与转速的3次方成正比，即Pz=Kn3,当转速下降时，其轴功率相应的降低，因此水泵所消耗的电能同样降低，从而取得显著的节能降耗效果。
2.2 在污水处理系统中的应用
钢铁厂的污水处理工艺主流程，都是采用提升泵房、曝气池生化处理、污泥消化及污泥脱水、加药处理等程序。为了使污水排放达标，必须根据流量和各种水质参数来进行监控。如果采用定转速水泵，只能靠调节阀门开度和增减工作台数来调节流量，这种方法增加了管道的阻力，因而许多的能量大多浪费在阀门上，不能达到节能的效果。
随着变频调速器的出线及广泛应用，利用变频器调速范围宽的优势，在阀门开度不变的情况下，适当的调节电机的转速来调节管道中的流量从而来调节待处理污水中的水质参数。同时利用变频器与可编程控制系统PLC的通讯，再配合各类检测元件，利用PLC的逻辑算法就能很容易的实现污水流量与水质参数的自动控制，从而整套污水处理设备工作在较高的效率点上，达到了节能的效果。同时由于采用了变频调速及PLC自动控制系统，使得原本繁琐的人工操作变得简单并且更加直观化，即减轻了企业生产中的工人劳动强度，提高了工作效率，又节省了企业的人工成本。
2.3 在给水处理过程中的应用
给水处理的工艺流程，一般为进水、进配水、絮凝沉淀、过滤、入清水池、进配水泵房、送入配水管网；同时还有加药、加氯、加氨等辅助系统，中间还有回流泵房等环节。整个工厂的供水系统各个供水车间的水量变化是相对的，四季的变化系数和日变化系数都很大。流量的变化，关系着整个处理系统的不断变化，如絮凝沉淀、各种过滤的处理程序、加氯、加氨及加药量的随机变化，以及回流泵房等，都需要采用各种先进的监控技术来进行控制。
采用变频控制系统，可以改变计量泵的转速，从而改变计量泵的出料速度，配合PLC自动控制系统及各类测量传感器、控制仪，经与设定值的对比、判断后，通过PLC控制系统的逻辑算法，对变频器进行调节，从而将计量泵调至对应的工作状态，使之按要求向水中投放定量药剂。然后传感器再对水样进行检测，并通过PLC自动控制系统进行投药量的再调节。如此循环往复，连续运作，实现连续的自动加药并保证整个水处理系统处于最优工作状况。由于采用了变频调速及PLC自动控制系统，使整个水处理系统操作更方便，计量更准确，使用寿命更长，维护更方便，从而即减轻了维护人员的工作强度，降低劳动成本提高了工作效率，又能够节省药剂，提高了水处理过程中的经济效益。3 结语 通过对工业水泵运行方式及在生产中的实际应用分析可以看出，在工业水泵中使用变频调速技术可以提高水泵的使用效率，节省大量电能，并且变频器与PLC（逻辑可编程控制器）相互配合可以实现多种方式的控制、连锁、检测、监控、报警等功能，极大提升了水泵运行时的可靠性。采用PLC系统控制的水泵系统，操作更加简便直观，免去了人工操作的种种繁琐步骤，而且可以在手动、自动、单机、连锁等多种控制方式下切换，使水泵的控制方式变得更加多样化，能够更好的适应各种生产条件下的运行要求。并且变频器与PLC相配合使生产系统的自动化程度显著提高，维护方便，减轻的操作人员的工作强度，提高了工作效率，在更好的满足企业生产需求的同时又为企业节省了能源、人力、维护等多方面的成本。
不过虽然工业水泵采用变频调速有众多优点，同样也存在一些缺点：
（1）目前，国内变频调速系统的研究非常活跃，但是在产业化方面还不是很理想，市场的大部分还是被国外公司所占据。如果全套设备均采用进口设备，再配套相应的PLC自动控制系统，使得一次投资的成本会加大。
（2）变频调速系统的自动化程度提高，使得相关维护人员的专业素质也必须要相应的提高。
（3）变频调速系统在运行中会产生较大的谐波污染，因此需要同时进行无功补偿和谐波治理。
总而言之，在能源问题日益紧张的今天，对能源的高效利用是对每一个企业提出的要求，变频调速系统在企业生产中将扮演极为重要的角色，虽然变频调速系统仍然存在一些缺点，但是随着科学技术的持续发展，在不久的将来变频调速系统的种种缺点也会逐渐的得到改善，因此变频调速系统在企业的生产节能中发挥的作用是十分巨大的，变频调速系统在改善工厂能源利用率上有着巨大的潜力。参考文献： [1]郭立君.泵与风机.北京.中国电力出版社.2001. [2]孙传森.变频器技术.北京.高等教育出版社.2008.