變頻調速是二次增壓供水設備節能的最佳選擇

 

　　從二次增壓供水設備特點(diǎn)出發(fā)，分析了幾種調流技術(shù)的實(shí)際效果，論述了水工業(yè)領(lǐng)域調速節能的必要性，同時(shí)指出采用變頻調速是節能的最佳選擇。實(shí)踐是檢驗各種調速節能高新技術(shù)優(yōu)劣的唯一標準，理論問(wèn)題已解決了，現在要加強各行業(yè)實(shí)踐中的應用研究。

 

1 引言

　　由于全國各省市城鎮化建設的飛速發(fā)展，近年來(lái)出現嚴重缺電缺水現象。許多城市出現限電限水現象。國家出巨資進(jìn)行大規模的給水排水工程建設。據統計及預測, 全國城市缺水2000×104m3/d，排放污水量約1×108m3/d，我國每年新建擴建的水廠(chǎng)近600×104m3/d，污水處理廠(chǎng)的處理能力將達到700×104m3/d左右。建好管好給水廠(chǎng)和污水處理廠(chǎng)是緩解水工業(yè)與現代化城鎮建設的矛盾，是關(guān)系到國計民生的重要課題。在給排水工程的建設和管理運行中，設備運行管理費用很高，其中水廠(chǎng)的電耗約占50％。綜觀(guān)給水排水行業(yè)絕大多數是老企業(yè)，設備陳舊，供電設備老化，自動(dòng)化水平低下，藥耗嚴重，先進(jìn)控制技術(shù)極少采用。近幾年，新上的給排水廠(chǎng)自動(dòng)化水平高些，也采用了一些先進(jìn)控制技術(shù)，也組建了一些優(yōu)化調速的綜合自動(dòng)化監控系統。但大多數新建的FCS、DCS、PLC監控系統也不能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )化監控，造成許多資源的消費。有許多廠(chǎng)站存在先天性的缺陷，變電站位置不合理，配電電纜太多太長(cháng)，變壓器等設備選擇不合理，特別是水泵機組選擇不合理，工藝流程總體布局不合理，使給水排水系統的電耗居高不下。給排水廠(chǎng)運行管理，應從工藝流程及其配套用電設備的變配電系統的綜合設計系統、加藥系統、水泵機組系統的三方向進(jìn)行重點(diǎn)研究，要制定每噸水的綜合制造單位電耗和藥耗標準，即從每噸水的投資到運行的最佳的代價(jià)做文章。在這里，單就水泵機組的最佳節能技術(shù)在實(shí)際中的選擇進(jìn)行分析和研究。

2 城市二次增壓供水設備特點(diǎn)

2.1 城市二次增壓供水設備工況特點(diǎn)

　　一個(gè)城市的供水系統特點(diǎn)，就是多水源、多泵站、多水廠(chǎng)、多管網(wǎng)、變化大。一年之中，隨季節而變的日變化，一日之內又隨時(shí)間而變化的時(shí)變化。進(jìn)水水質(zhì)和流量也是非線(xiàn)性的在變化。設計中一般均以高日高時(shí)為設計點(diǎn)，表面上看已滿(mǎn)足了供水需求，但實(shí)際上大部分系統均不能滿(mǎn)足實(shí)際的水變化。一個(gè)供水系統，一個(gè)水廠(chǎng)的綜合水泵揚程是由幾何高差和管道摩阻變化所組成。幾何高差是不變的，而管道摩阻是隨流量的平方而變化。當輸配水管道距離長(cháng)而選的幾何高差較小時(shí)，管道小時(shí)，管道摩阻在揚程中所占比重就增大;而在后半夜或所需供水量極小時(shí)，配水揚程就變得很低，將使水泵的工作點(diǎn)遠離高效區。

 

2.2 二次增壓供水設備變化系數

　　(1) 日變化系數Kd最高日用水量與年平均日用水量之比叫高日系數Kd1，而低日系數為當日最低用水量與年平均用水量之比Kd2。一般Kd1在1.2至1.5之間，為了宏觀(guān)定性分析，取Kd1=1.4, Kd2=0.6。

　　(2) 時(shí)變化系數Kh高時(shí)系數Kh1:最高小時(shí)用水量與日平均小時(shí)用水量之比; Kh1在1.3至1.6之間，一般取1.4;低時(shí)系數Kh2≈0.5左右。

 

2.3 總的綜合揚程流量變化

　　(1) 取水廠(chǎng)站流量變化:一般，取水廠(chǎng)站選泵的揚程按每年最大流量，每年最低水位來(lái)考慮，其流量變化系數為:

KQ=Kd1/Kd2=1.4/0.6=2.33水泵工作揚程：H＝Hh＋Hf＝Hh＋CQ2 （1）

　　Hh為幾何高差, 一般不變化;Hf=CQ2為管道摩阻水頭。摩阻水頭變化Hfmax/ Hfmin= Kd12/ Kd22=5.4

實(shí)際上每年最低水位機率很小, 每年絕大多數時(shí)間均高于這個(gè)低水位, 所選泵的揚程長(cháng)期不能運轉在高效率區域內。

　　(2) 凈配水廠(chǎng)站流量變化用水的高峰季節，在分壓供水系統中要增加供水管網(wǎng)的壓力，就要調節管網(wǎng)的供水量，按最大供水量、最高管網(wǎng)壓力來(lái)選擇配水泵及臺數。

配水系統流量變化是:可Kj= Kd1* Kk1/ Kd2 Kk2=1.4*1.4/0.6*0.5=6.53

　　由此可見(jiàn)，流量變化是很大的，配水泵站比取水廠(chǎng)站的流量變化更大，這說(shuō)明水工業(yè)領(lǐng)域必須考慮調流的主要原因。也說(shuō)明水泵機組優(yōu)化調速節能的潛力巨大。

 

3 二次增壓供水設備變頻調速是各種調流方式的最佳選擇

　　水泵的特性曲線(xiàn)有Q-H，Q-P，Q-η，Q-G管道特性曲線(xiàn)。它們分別表示流量與揚程、流量與軸功率、流量與效率、流量與管道摩阻特性之間的關(guān)系。

　　(1) 用水量總是變化的, 當用水量減小時(shí), 如果水泵正常運行，則系統壓力將增高。當流量減小到75％和50％時(shí)，它們的變化是:用水量減小時(shí), 系統壓力憋高，而Hf將加大，Q-G曲線(xiàn)平移到Q′-G′，Q″-G″曲線(xiàn)上，它們與Q-H曲線(xiàn)交點(diǎn)為A′和A″點(diǎn)，由曲線(xiàn)可知，水泵的工作效率降低了，大量水頭損失掉了，漏水量也將大大增加。

　　(2) 為了使水泵工作效率仍保持在高效區, 采用關(guān)小出水閘閥的角度來(lái)調流, 此時(shí)，水頭損失全浪費在閘閥上。

　　(3) 為了適應流量的變化, 可改變水泵運轉臺數和組合,此時(shí)，水泵的工作點(diǎn)將運轉在低效率上，大量的能源將浪費在管道的水頭損失上。

　　(4) 采用變頻調速來(lái)適應流量變化

(1)　　Q/Q′/Q″＝n/n′/n″

(2) H/H′/H″＝n2/n′2/n″2

(3) P/P′/P″＝n3/n′3/n″3

(4) n＝60f(1-s)/p

(5)其中:n為轉子實(shí)際轉速;

S為電機轉差率;

f為定子頻率;

P為電機極對數;

Q為綜合流量;

H為水泵揚程;

P為電機功率。

　　如果選用變頻調速，就是通過(guò)改變定子頻率，來(lái)改變異步電動(dòng)機轉子的實(shí)際轉速，同時(shí)，又要滿(mǎn)足電動(dòng)機轉矩的要求，達到水泵運轉在高效率區域內。

　　速度改變了，水泵的流量、揚程、功率都隨著(zhù)改變。優(yōu)化了整個(gè)工藝流程運轉條件，消除了水錘破壞的事件。

　　從公式(2)(3)(4)(5)可知，當流量減小到75％和50％時(shí)，Q-H曲線(xiàn)變成Q′-H′、Q″-H″曲線(xiàn)，其效率曲線(xiàn)由Q－η變成Q′-η′和Q″-η″, 水泵效率(B、B′、B″)基本不變，還在高效區域內，而水泵所需的軸功率也減小了。轉速下降了，水頭損失不存在，其工作效率卻很高。另方面，水泵組合的揚程處處能與管道綜合的系統阻力相適應，始終保持管網(wǎng)末稍的壓力穩定。當采用液力耦合器或電磁滑差離合器來(lái)調速，改變流量，均有一定的節能效果，但轉差功率損失了，低速時(shí)損耗更大，效率更低;當采用串級調速技術(shù)時(shí)，無(wú)論采用外串還是內饋，需增設起動(dòng)電阻和電容補償，功率因數低，低速時(shí)更低。

 

4 二次增壓供水設備實(shí)例分析

　　上世紀80年代，我院承擔的百萬(wàn)噸大規模的北京市第九水廠(chǎng)設計中，從工藝流程到變配電設備選型，不是按最高日最高時(shí)的流量和其對應的壓力為工作點(diǎn)來(lái)選不同容量水泵和水泵組合;而是在滿(mǎn)足最大設計水量的基礎上，盡量使調速高效特性曲線(xiàn)接近系統的特性曲線(xiàn)，也就是說(shuō)，盡量將各種調速泵組合的高效區能套入出現機率最高的工作段或點(diǎn)上。調速泵臺數，應在全年內運行工況中開(kāi)泵出現次數最多的臺數為需要的臺數，而備用泵選用定速泵。

　　先看取水泵站。取水泵站的各種臺數組合的高效中心線(xiàn)，均在系統特性曲線(xiàn)的左側。在設計運轉臺數時(shí)，應將高效中心線(xiàn)包入最大流量點(diǎn)的曲線(xiàn)段，曲線(xiàn)向右下方移動(dòng)，流量加大而揚程降低，使其與4臺泵運轉的系統特性曲線(xiàn)重合或靠近，水泵綜合運轉效率就會(huì )更高。從系統分析看，水泵同時(shí)運轉4臺為最經(jīng)濟，考慮分期建設，第一期選用兩臺容量最大的水泵調速將更經(jīng)濟合理。

　　再看配水廠(chǎng)站配置。從電算可知，首期2臺泵運轉出現機率最高，其次為3臺，同時(shí)各種臺數組合的高效區均能包入高日高時(shí)流量的基礎上向右下方移動(dòng)，見(jiàn)圖2。加大額定流量降低額定揚程，使配水泵綜合的高效中心線(xiàn)介于兩、三臺水泵運轉時(shí)系統特性曲線(xiàn)之間，二期后同時(shí)運轉需要4臺，再考慮日變時(shí)變率，運轉泵均為調速泵比較合理。當一臺調速泵有故障時(shí)，三調一定運轉，其綜合效率降低一點(diǎn)，而工作揚程還是較高。所以，備用泵選用定速泵比較經(jīng)濟合理。只上一臺機組，既增加了投資，又無(wú)實(shí)際意義。

　　只從理論上研究單臺水泵機組調速并不能解決任何實(shí)踐需要，這種學(xué)究式的理論研究是沒(méi)有任何意義的事情。

 

5 二次增壓供水設備選用變頻調速技術(shù)應注意的問(wèn)題

5.1 二次增壓供水設備可選的幾種變頻調速技術(shù)

　　從上世紀80年代開(kāi)始，我國水工業(yè)真正步入了變頻調速時(shí)代。如北京水源九廠(chǎng)、深圳梅林水廠(chǎng)、深圳中西部源水系統各泵站、北方南水北調各大輸水泵站、上海原水公司和自來(lái)水公司、上海排水管理公司、廣州、福州、廈門(mén)、東莞、天津、重慶、石家莊、昆明、成都、潮州、大慶油田等自來(lái)水公司的上百個(gè)大中型水廠(chǎng)和泵站都選用了變頻調速裝置。水泵電機容量從315kW到2500kW，采用變頻調速裝置的臺數1000臺以上。200kW以下容量選用變頻調速裝置就更多了。

由于電流型變頻器是全控橋整流，諧波非常豐富，對電網(wǎng)公害大，抑制諧波的措施比較復雜，在價(jià)格和可靠性上失去了優(yōu)勢，在水工業(yè)領(lǐng)域中已很少采用了。220kW及以上水泵機組可選擇的變頻調速裝置有以下5種:

　　(1) “中－低－中”變頻器

　　優(yōu)點(diǎn)是變頻器價(jià)格低，缺點(diǎn)是增加了占地面積和成本，增加了兩級變壓器損耗，可靠性大大降低了，在低速時(shí)，變壓器效率更低，功率因數也低。

　　(2) 低壓大功率變頻器國產(chǎn)低壓變頻器

　　已做到1000kW, 國外已做到2000kW。建議盡量選用1.7kV、2.3kV、3.3kV多相特殊電動(dòng)機。

　　(3) 中－低壓大功率變頻器

　　其優(yōu)點(diǎn)是中壓輸電損耗小，低壓變頻效率高，輸入變壓器一側采用角(△)接法，可吸收變頻系統中的高次諧波。

　　(4) 中－中壓變頻器l中壓IGBT PWM變頻器。

　　額定功率因數≥0.96，系統器件由60支減為24支, 電路簡(jiǎn)化了, 可靠性提高了。l中壓IGCT PWM變頻器。額定效率＞98％，額定功率因數＞0.95。

　　(5) 多重化多級串聯(lián)中壓變頻器

　　美國ROBICON公司、日本安川、富士、東芝公司等公司，都先后推出了多重化多級串聯(lián)中壓變頻調速裝置。采用多電平結構和多級低壓小功率IGBT PWM變頻單元串聯(lián)輸出中壓變頻交流電，實(shí)現了大功率集成。額定效率≥96％，額定功率因數≥0.95。但必須指出，同一容量采用中壓設備不但價(jià)格貴得多，且可靠性也下降了。

 

5.2 關(guān)于水泵電機采用矢量控制或直接轉矩控制的變頻調速控制方案的思考

　　矢量控制系統(VC)和直接轉矩控制系統(DTC)，都是高性能的交流變頻調速系統，都是轉矩控制，都是基于異步電動(dòng)機的動(dòng)態(tài)數學(xué)模型設計的。矢量控制系統的特點(diǎn)是:通過(guò)坐標變換，按轉子磁鏈定向，電機模型需要電機參數多，定向準確度受參數變化影響大。

直接轉矩控制系統(DTC), 在轉速環(huán)內，利用轉矩反饋直接控制電機的定子轉矩磁鏈。DTC受轉子側參數影響不大, 而VC受轉子參數變化影響大, DTC魯棒性比VC強。

　　DTC系統由電機的電壓和電流計算出定子磁鏈和轉矩，采用砰－砰控制來(lái)實(shí)現變頻器的PWM控制，其著(zhù)眼點(diǎn)是電壓，而矢量控制的著(zhù)眼點(diǎn)是電流，存在電流調節時(shí)間滯后，而DTC沒(méi)有電流控制環(huán)路，沒(méi)有任何電流反饋，電機可以獲得較大的加速電流，產(chǎn)生較快的電流響應和轉矩響應，DTC轉矩響應比VC快4～5倍。

　　DTC由于采用砰－砰控制，其開(kāi)關(guān)頻率不穩定，其電流的諧波比VC稍大些，變頻器效率略比VC低一些，就是說(shuō)DTC控制變頻器的穩態(tài)指標要比VC差一些。無(wú)速度傳感器控制是DTC和VC控制系統共同的研究課題，并不是DTC的發(fā)明專(zhuān)利，它們都采用同樣的交流電機數學(xué)模型。DTC的低速控制性能不好，用轉子磁鏈控制來(lái)補償DTC的低速性能，控制系統低速時(shí)用ISR，高速時(shí)過(guò)渡到DTC。在水泵機組、生化處理、加藥系統中選用DTC系統，還是VC系統，要注意選擇，否則有害無(wú)益。DTC和VC系統作為高性能的調速系統，在本質(zhì)上是相同的，都能實(shí)現較高的靜、動(dòng)態(tài)性能。DTC和VC系統，由于控制方法上的差異，各有特色，各有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，各有側重的應用領(lǐng)域。矢量控制更適應于寬范圍調速系統和伺服系統，直接轉矩控制更適應于快速轉矩響應，魯棒性好的大滯后運動(dòng)控制系統，兩種系統都存在一些不足，兩種系統的研究和開(kāi)發(fā)工作都朝著(zhù)克服其缺點(diǎn)方向發(fā)展。

 

5.3 變頻調速的水泵機組必須聯(lián)網(wǎng)受控

　　現在是網(wǎng)絡(luò )化、電子數字化時(shí)代。供水系統是一個(gè)非常復雜的受多變量參數影響的大滯后的流程企業(yè)系統?！熬W(wǎng)絡(luò )就是控制器”。大水泵機組調速是關(guān)系到供水質(zhì)量的重要一環(huán)，必須按總的供水調度的需要進(jìn)行工作。隨著(zhù)工業(yè)以太網(wǎng)TCP／IP技術(shù)的不斷完善和Internet技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò )監控，可以“e網(wǎng)到底”，水泵機組等各工藝流程的重要設備的調速裝置，就像是底層的其他測試儀表一樣，是網(wǎng)絡(luò )上的一個(gè)節點(diǎn)，是整個(gè)供水系統監控網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)棋子。他們都是有機的統一體，各泵站的水泵機組群體，根據綜合最小電耗藥耗指標，出廠(chǎng)水流量、壓力的瞬間需要，由優(yōu)化控制策略來(lái)確定其運轉狀態(tài)?？傊?，要使現場(chǎng)生產(chǎn)層、控制層和管理決策中心層集成一個(gè)管控一體化的生產(chǎn)系統，確保生產(chǎn)運行始終處在最佳狀態(tài)。

 

6 結束語(yǔ)

　　一個(gè)現代化城市的迅猛發(fā)展，加速了水工業(yè)系統工程的大量上馬。水工業(yè)領(lǐng)域中的泵類(lèi)負荷約占全國用電負荷的40％?？v觀(guān)我國水工業(yè)系統絕大部分都設備陳舊、技術(shù)落后、耗能?chē)乐亍?998年發(fā)布的我國“節約能源法”明文規定:“逐步實(shí)現電動(dòng)機、風(fēng)機、泵類(lèi)設備和系統的經(jīng)濟運行,發(fā)展電機調速節電和電力電子技術(shù)”;“十五”規劃又進(jìn)一步強調:“積極開(kāi)展資源回收利用大力提高資源綜合利用率”，“加快轉換工業(yè)增長(cháng)方式，改善質(zhì)量節能降耗”、“鼓勵采用高新技術(shù)，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化升級”。

　　生產(chǎn)機械的自動(dòng)化和現代化，是水工業(yè)可持續發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)，采用交流電機變頻調速等高新技術(shù)是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要手段，是電氣傳動(dòng)方面的一場(chǎng)革命。技術(shù)設備落后，是我們很多水廠(chǎng)無(wú)法低成本、高質(zhì)量生產(chǎn)的根源，大力推廣變頻調速優(yōu)化調度等高新技術(shù)，就有可能使老設備一步到位的進(jìn)入二十一世紀，調速節能勢在必行，齊心協(xié)力，讓水工業(yè)在我們的手里盡快優(yōu)化升級。各研究所及產(chǎn)品制造方面的專(zhuān)家學(xué)者，綜合各行各業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐，將那高深莫測的理論研究去解決實(shí)踐中的生產(chǎn)需要，才會(huì )有點(diǎn)價(jià)值。