優(yōu)化高壓變頻器運行 爭創(chuàng)節(jié)能型泵站

1．前言
柿園水廠擔(dān)任了鄭州市西部地區(qū)的重要供水任務(wù)，日設(shè)計供水量為40萬噸。其三期送水泵房共有10臺水泵機組，電動機功率分別是：550kW三臺、560kW一臺、400kW一臺，380kW二臺、355kW二臺、220kW一臺。目前變頻技術(shù)在很多領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，自來水行業(yè)中新建成的水廠大都采用變頻電機設(shè)備，它的特點是：提高水廠生產(chǎn)安全系數(shù)并有一定的節(jié)電作用。
2001年，總公司根據(jù)柿園水廠的實際情況在送水泵房投入使用了利德華福生產(chǎn)的兩臺高壓變頻設(shè)備，型號是：HARSVERT－A06/076，分別拖動3#號機組550kW電動機和8#號機組560kW電動機，并于同年8月7日投入向城市管網(wǎng)輸水運行。經(jīng)過多年運行，設(shè)備基本良好，效益顯著。

2．變頻器節(jié)能的理論依據(jù)
我們從水泵調(diào)節(jié)原理得知，當(dāng)水泵拖動電機工頻運行時，出力為額定值，轉(zhuǎn)速及功率亦為額定值；當(dāng)采用變頻調(diào)速時，可以按需要升降電機轉(zhuǎn)速，改變水泵的性能曲線，使水泵的額定參數(shù)滿足工藝要求。根據(jù)水泵的相似定律，變速前后流量、揚程、功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：
Q1/Q2＝n1/n2，H1/H2＝（n1/n2）2，P1/P2＝（n1/n2）3，
其中，Q1、H1、P1—水泵在n1轉(zhuǎn)速時的流量、揚程、功率；
Q2、H2、P2—水泵在n2轉(zhuǎn)速時相似的工況條件下的流量、揚程、功率。
假如，n2比n1降低1/2，則P2/P1＝1/8，可見，降低轉(zhuǎn)速大大降低軸功率可達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

3．兩種變頻調(diào)速給水系統(tǒng)運行方式的分析
目前水廠變頻調(diào)速基本上都是通過給水系統(tǒng)管網(wǎng)上的壓力傳感器對管網(wǎng)的水壓進行采樣，將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，并將其送至PID調(diào)節(jié)器與用戶設(shè)置的壓力值進行比較和運算，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號送至變頻器。變頻器根據(jù)傳送過來的頻率調(diào)節(jié)信號調(diào)整水泵電機的電源頻率，從而實現(xiàn)調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速。
　　變頻調(diào)速給水系統(tǒng)根據(jù)水泵出口壓力的變化情況可分為兩種：變壓變量給水系統(tǒng)和恒壓變量給水系統(tǒng)。
3.1　變壓變量給水系統(tǒng)
　　變壓變量給水系統(tǒng)的壓力傳感器設(shè)置在給水管網(wǎng)末端，PID調(diào)節(jié)器設(shè)定值為管網(wǎng)末端用戶所需的服務(wù)水頭值。系統(tǒng)通過自動調(diào)節(jié)使管網(wǎng)末端水壓保持恒定，使管路特性曲線和系統(tǒng)靜揚程不變，而水泵出水口壓力則隨著供水量變化依管路特性曲線而改變，故理論上實現(xiàn)了“系統(tǒng)需要多少，機組提供多少”，不會由于供水量的減小而產(chǎn)生多余的靜揚程，節(jié)能效果滿意。但這只是一種理想情況，且系統(tǒng)中僅有變頻泵在單獨工作。由于變頻設(shè)備比較昂貴，大型給水系統(tǒng)往往采用變頻泵與定速泵并聯(lián)運行的方式供水。
　　現(xiàn)以系統(tǒng)中設(shè)置一臺變頻泵和一臺工頻泵并聯(lián)運行為例。當(dāng)管網(wǎng)流量減小時，需要揚程相應(yīng)降低，變頻泵可以通過減速運行實現(xiàn)。但為保證并聯(lián)機組正常工作，工頻泵揚程也必須相應(yīng)降低，這只能通過增加流量實現(xiàn)，從而造成水量的漏失，且還可能導(dǎo)致工頻泵離開高效段工作，即沒有達(dá)到真正節(jié)能的目的。遇有以上情況，可以采取以下措施來改善其節(jié)能效果：
　　①對于小規(guī)模的給水系統(tǒng)，可以僅設(shè)一臺變頻泵，并使泵的高效區(qū)(其高效范圍比工頻泵運行時的范圍要大)盡可能多地包括出現(xiàn)幾率較大的工況點。
　　②采用多臺泵調(diào)速運行。當(dāng)然，由于變頻調(diào)速裝置價格比較昂貴，應(yīng)綜合考慮其經(jīng)濟因素而定。
　　③選擇工頻泵時，應(yīng)使系統(tǒng)在最不利點工作時，工頻泵的工況點盡量靠近其高效區(qū)左側(cè)；如果最不利情況出現(xiàn)幾率較小，可以使其稍偏離高效區(qū)，落在高效區(qū)左外側(cè)。這樣，當(dāng)系統(tǒng)揚程降低時，工頻泵仍可在高效區(qū)工作。
3.2　恒壓變量給水系統(tǒng)
　　恒壓變量給水系統(tǒng)將壓力傳感器設(shè)在水泵機組出水口，旨在使水泵出水口壓力保持恒定，一般設(shè)定為最不利工況時水泵出水口所需壓力值。仍以一臺變頻泵與一臺工頻泵并聯(lián)運行為例。當(dāng)管網(wǎng)流量減小時，變頻泵通過減速運行，保持揚程不變而減小出水量。由于出口壓力不變，工頻泵出水量不會改變(即運行工況不變)，仍在高效區(qū)工作，從而達(dá)到節(jié)能目的。需要指出的是，當(dāng)系統(tǒng)所需流量變小時，水泵出水口壓力(仍為最不利情況下系統(tǒng)所需壓力)大于管路此時需要的壓力，從而仍會在一定程度上導(dǎo)致靜揚程的浪費。以下兩種措施可以改善其節(jié)能效果：
　　①適當(dāng)放大管網(wǎng)的管徑，使管路特性曲線更趨平緩，但這會增加管網(wǎng)的一次性投資，需要和節(jié)能效果作綜合經(jīng)濟比較。
②選擇工頻泵時盡量使每臺泵的工況點落在高效區(qū)。
針對我廠的實際現(xiàn)狀，高壓變頻器拖動單個機組的節(jié)能效果好；還是變頻器拖動水泵機組和其他定速泵機組配合使用，再結(jié)合市區(qū)管網(wǎng)的節(jié)能效果好？從變頻器投入運行后，我們一直在不斷的探索。

4．最佳節(jié)能方式的探索
我廠對送水房的電機新安裝了遠(yuǎn)傳電度表后，實現(xiàn)了耗電量與供水量的同步計算機計量，為了摸清楚變頻電機的具體節(jié)能效果，根據(jù)我廠的實際運行規(guī)律，在報請總公司領(lǐng)導(dǎo)和中調(diào)的同意后，進行了對比運行實驗。我們分別用一臺變頻器閉環(huán)運行和其他定速泵配合；用兩臺變頻器一個開環(huán)運行一個閉環(huán)運行和其他定速泵配合；在基本同樣的供水量，同樣的供水管網(wǎng)，分別試驗多次，以下是這三種運行方式的千噸水電耗統(tǒng)計表：






從統(tǒng)計表可知：
全定速運行千噸水單耗平均值：155.9 kWh/dam
一臺變頻器閉環(huán)運行千噸水單耗平均值：151.6 kWh/dam
一臺變頻器閉環(huán)運行，一臺變頻器開環(huán)運行和定速泵配合千噸水單耗平均值：146.9 kWh/dam
由此可知：
兩臺變頻器投入使用和全定速泵比較節(jié)能：155.9－146.9＝9 kWh/dam
一臺變頻器投入運行和定速泵比較節(jié)能：155.9－151.6＝4.3 kWh/dam。
根據(jù)反復(fù)實驗的結(jié)果，我廠得出結(jié)論：用兩臺變頻器一個開環(huán)運行一個閉環(huán)運行和其他定速泵配合，這種方式最經(jīng)濟。

5．制定措施保障變頻器時刻處于運行狀態(tài)
根據(jù)反復(fù)實驗的結(jié)果，我們?yōu)樗退谜局贫藝?yán)格的變頻器維修保養(yǎng)制度。按最佳節(jié)能方式調(diào)節(jié)送水泵房的運行車次，要求維修人員接到變頻器有故障的通知后，不論是凌晨還是深夜，馬上趕到現(xiàn)場維修，以最短的時間，排除故障，投入運行，以求得變頻器的持續(xù)不間斷運行。

6．變頻器的優(yōu)點
6.1安全運行
制水廠的安全生產(chǎn)包括用電和供水管網(wǎng)的安全。使用了變頻技術(shù)能有效地減小因大功率電機的啟動對用電電網(wǎng)的沖擊，同時保證管網(wǎng)中壓力的平滑過度，減少暴管的幾率。
大功率的水泵電機，每次開啟都會對廠區(qū)電網(wǎng)有影響。通常定速水泵在啟動時電流是額定運行電流的6—7倍，這樣大的沖擊電流易引起掉閘事故，對電網(wǎng)造成威脅。特別是在電網(wǎng)回路中的電流已經(jīng)接近滿負(fù)荷時，如果需要再開泵，雖然開啟后總電流不超過滿負(fù)荷規(guī)定的要求，但是因為啟動電流太大，瞬間總電流將過額定要求，所以不能開泵，因此影響了正常的生產(chǎn)。如果使用了高壓變頻器后，水泵電機可以從0赫茲逐步上升至實際穩(wěn)定的運行頻率，電機電流也能逐漸升高，電網(wǎng)所受的沖擊化解，從而提高了電網(wǎng)的安全運行系數(shù)。
管網(wǎng)壓力也是水廠的一項重要指導(dǎo)生產(chǎn)指標(biāo)，壓力過高，不僅容易暴管，而且電耗也升高了；壓力過低，難以保證城市的正常用水。在各個時段對壓力要求也不一樣。以前我廠所有的水泵都為定速泵，只要水泵一開啟，便運行在工頻狀態(tài)下，其頻率、電流都固定，全部采用定速泵的組合不一定能夠保證管網(wǎng)壓力正好在所要求的壓力值范圍內(nèi)，每當(dāng)管網(wǎng)用水需求變化時，壓力便明顯變化，必須調(diào)整車次，這樣做即不安全，也不經(jīng)濟，而且管網(wǎng)在調(diào)整車次的短時間內(nèi)，壓力變化較大，易發(fā)生暴管事故。而采用變頻泵，可以使壓力維持恒定，管網(wǎng)需求變化時，靠調(diào)節(jié)變頻泵的頻率可以滿足用水需求。從而大大降低了管網(wǎng)的暴管次數(shù)。

6.2節(jié)約能耗
變頻水泵電機的節(jié)能原理是靠減少供水管網(wǎng)中的不必要的水的機械能實現(xiàn)的。舉例說明：我廠出廠外壓一般情況維持在0.40Mpa即可滿足供水區(qū)域的用水需求，如果壓力再高，用水量增幅不大，這說明供水區(qū)域已飽和，這時高于0.40 Mpa的高出部分壓力是浪費，維持這些壓力所耗的電能可以通過變頻電機的調(diào)節(jié)作用節(jié)省出來。
經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，水廠運行兩臺變頻器比以前全定速泵的節(jié)能情況如下：
柿園水廠2005年日均供水量250.6dam/日
兩臺變頻器投入使用和全定速泵比較節(jié)能：155.9－146.9＝9 kWh/dam
日節(jié)電費：250.6 dam×9kmh/ dam×0.523（平均電價）＝1179.57元
全年按變頻器運行十一個月計算（排除故障維修工時）。
全年節(jié)電費：1179.57×335天＝39.5157萬元

7．結(jié)束語
自來水廠在變頻調(diào)速給水系統(tǒng)的設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)給水管網(wǎng)的特點合理選擇泵的運行方式，以達(dá)到在滿足使用要求的前提下，既節(jié)省投資又節(jié)能的目的。
采用變頻器裝置調(diào)速后，實現(xiàn)了電動機的軟啟動，可以避免大電流啟動沖擊造成對電機絕緣的影響，減少電動機維修量，節(jié)約維修費用，使電機壽命延長，也減少了管道的振動與磨損。平滑調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力，每年節(jié)約電費39.5157萬元。柿園水廠電費占制水成本的73.90%，節(jié)約電能可以有效地降低制水成本，緩解電能緊缺，使送水泵站成為名副其實的節(jié)能型泵站。