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變頻調速裝置在新型農村供水泵站中的應用

　　隨著(zhù)城市建設的不斷發(fā)展，新的工業(yè)區不斷涌現，居民的居住也愈發(fā)密集，小區及高層建筑越來(lái)越多，因此對供水也提出了更高的要求。但在居民生活用水、工業(yè)用水、消防、各類(lèi)自來(lái)水廠(chǎng)、油庫、恒壓補水噴淋等供水系統中，目前都是采用傳統的水塔、高位水箱、氣壓增壓等設備進(jìn)行供水，這些設備不僅維護量大，投資多，占地面積大，能量浪費嚴重，而且還不能滿(mǎn)足工業(yè)消防等高水壓、大流量和自動(dòng)改變供水流量以適應小區或高層建筑內每天24小時(shí)不斷變化的用水量的要求，更達不到高效率和節能的要求， 因此，尋求一種有效、可靠、經(jīng)濟的方法來(lái)實(shí)現流量的調節， 從而使水泵始終高效工作， 并能提高泵站的各項技術(shù)經(jīng)濟指標，達到節能的目的顯得尤為重要。

1供水泵站系統存在的問(wèn)題

　　某供水泵站于1999年建成?，F泵房?jì)劝惭b4臺6kV臥式離心水泵電動(dòng)機組，單機容量1250kW，工程供水規模310m3/s。正常情況下，系統設計投入3臺機組，1臺備用，由定速電動(dòng)機驅動(dòng)。水泵站裝機按最不利條件下、最大時(shí)流量和所需相應揚程決定。泵站供水對象用水量不均勻，實(shí)際上每天只有很短時(shí)間能達到最大流量，大多數時(shí)間里，水泵站都處在小流量下工作。流量變化影響管網(wǎng)水頭損失變化，尤其是地勢平坦地區，在幾何揚程很小的情況下，送水泵站出口所需壓力隨流量變化更顯著(zhù)。為適應流量變化，泵站運行中多采取關(guān)小出口閥門(mén)控制流量。由此產(chǎn)生以下問(wèn)題：

　　1.1人工調節閥門(mén)開(kāi)度，流量難以精確控制，系統效率低。

　　1.2當流量降低、閥位開(kāi)度減小時(shí)，閥門(mén)前后壓差增加，阻力增大，能耗增加。

　　1.3閥門(mén)長(cháng)期處于40%～70%開(kāi)度運行，加速閥體自身磨損，導致閥門(mén)控制特性變差。

　　1.4閥門(mén)調節不當增加了管網(wǎng)水錘壓力，降低了工作安全特性。過(guò)高的管網(wǎng)壓力威脅設備的密封性能，造成管網(wǎng)、閥門(mén)泄漏。

　　1.5水泵及閥門(mén)系統的使用壽命變短，日常維護量大，維修成本較高。

　　1.6吸水池高水位、調節池低水位時(shí)，兩臺泵并聯(lián)運行，管道出現互激水力振動(dòng)現象。

　　為解決以上問(wèn)題，將3#機改為變頻調速運行，利用高壓變頻器對水泵電動(dòng)機進(jìn)行變頻控制，實(shí)現供水流量的變負荷調節，達到恒壓供水目標。不僅解決了閥門(mén)調節線(xiàn)性度差的問(wèn)題，還提高了系統運行的可靠性；更重要的是減小了因調節閥門(mén)孔口變化造成的壓力損失，減輕了閥門(mén)磨損，降低了系統對管路密封性能的破壞，延長(cháng)了設備使用壽命，減少了維護量，改善了系統的經(jīng)濟性，節約了能源，為降低廠(chǎng)用電率提供了良好的途徑。

2變頻調速節能分析

　　根據泵與風(fēng)機學(xué)的相似定律，水泵系統采用變頻調節時(shí)，直接通過(guò)改變水泵電機頻率改變電動(dòng)機轉速，以滿(mǎn)足不同運行工況的需求。此時(shí)電機消耗的能量已與電機轉速立方的關(guān)系下降，變頻調速節電效果從原理上分析非常顯著(zhù)。

　　變頻系統運行時(shí)，泵站出口壓力維持不變。給定出口壓力為Hg。當流量Q變動(dòng)時(shí)，因轉速變化導致?lián)P程特性H1～Q上下移動(dòng)，泵工作點(diǎn)在H=Hg線(xiàn)上作水平移動(dòng)（A、B、C、D）。通過(guò)特性曲線(xiàn)可以清楚地看出水泵消耗軸功率的變化，即采用變頻調速保證壓力恒定與流量需求。原設計單臺運行時(shí)，H=Hg=60m，Q=Qg=3960m3/h。結合本項目改造水泵特性實(shí)際運行頻率設定在38Hz（保證壓力需求），根據公式 ，水泵流量和電機轉速成正比，可計算出不同轉速下的流量：Q=Qa=3960m3/h，na=998rpm（50Hz），N軸=743kW；Q=Qb=3564m3/h，nb=898rpm（45Hz），N軸=540kW；Q=Qc=3166m3/h，nc=798rpm（40Hz），N軸=380kW；Q=Qd=3000m3/h，nd=758rpm（38Hz），N軸=326kW。

3恒壓供水方案及PID調整

　　經(jīng)綜合考慮，水泵高壓變頻系統采用恒壓供水方式，測量元件采用壓力傳感器，裝設在水泵機組出水口處，供水壓力V作為輸出量，Vi為恒定供水壓力設定值，整個(gè)系統構成閉環(huán)控制方式。高壓變頻器內部?jì)惹妒娇删幊炭刂破鞑杉┧畨毫χ礦與給定值Vi進(jìn)行比較，通過(guò)PID調整，將調整結果轉換為頻率調節信號傳送至變頻器，直至達到供水壓力給定值Vi。不管系統供水流量如何變化，供水壓力值V始終維持在給定壓力值Vi附近。

　　高壓變頻器根據偏差相應調節系統PID參數。當運行參數遠離目標參數時(shí)，調節幅度加快，隨著(zhù)偏差逐步接近，跟蹤幅度逐漸減小，接近相等時(shí)，系統將達到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，供水系統將達到恒壓運行穩定狀態(tài)。

4高壓變頻器技術(shù)實(shí)施方案

4.1技術(shù)參數

　　配置4臺相同離心水泵（3用1備），水泵型號28SH—12，額定流量1.1m3/s，額定揚程60m，額定功率743kW；電動(dòng)機型號YRKK630—6，額定電壓6kV，額定功率1250kW，額定電流145A，轉速998r/min，功率因數0184。高壓變頻器型號HINV—06/1570B，額定容量1570kVA，額定電流150A，額定電壓6kV，輸出頻率0～50Hz，加減速時(shí)間0～3200s，過(guò)載能力125%/min，具過(guò)壓保護、欠壓保護、過(guò)電流保護等功能。

4.2技術(shù)方案

　　考慮高壓變頻設備利用率最大化與遠期變頻應用等，將變頻系統方案配置為“一拖二”，一套變頻系統拖動(dòng)一臺電機變頻運行，另一臺可工頻運行，即一臺水泵由變頻器拖動(dòng)，另外一臺水泵由6kV高壓電源直接驅動(dòng)。遠期計劃中，將拖動(dòng)對象中的負載改為不同母管下的水泵，以適應供水負荷的變化。

　　變頻系統方案說(shuō)明：M1變頻運行時(shí)，斷開(kāi)QS3、QS6、QF2，閉合QS2、QS5、QF1；M2變頻運行時(shí)，斷開(kāi)QS2、QS5、QF1，閉合QS3、QS6、QF2；M1/M2工頻運行時(shí)（系統檢修或故障運行狀態(tài)），斷開(kāi)QS2、QS3、QS5、QS6，閉合QS1/QS4。

　　6/10kV電源經(jīng)用戶(hù)輸入真空開(kāi)關(guān)QF1，通過(guò)變頻裝置進(jìn)線(xiàn)刀閘QS2到高壓變頻調速裝置，變頻裝置輸出經(jīng)出線(xiàn)刀閘QS5送至電動(dòng)機M1；經(jīng)用戶(hù)輸入真空開(kāi)關(guān)QF2，通過(guò)變頻裝置進(jìn)線(xiàn)刀閘QS3到高壓變頻調速裝置，變頻裝置輸出經(jīng)出線(xiàn)刀閘QS6送至電動(dòng)機M2；還可以經(jīng)旁路刀閘QS1、QS4直接起動(dòng)電動(dòng)機M1、M2。

　　變頻裝置的刀閘QS1和刀閘QS2互相閉鎖，即QS2和QS1不能同時(shí)閉合；刀閘QS3和刀閘QS4互相閉鎖，即QS3和QS4不能同時(shí)閉合。

　　旁路柜作用如下：當變頻裝置工程檢修時(shí)，可手動(dòng)操作刀閘，形成明顯斷電點(diǎn)，保證人身安全；當變頻裝置出現故障時(shí)，也可手動(dòng)操作刀閘，隔離變頻裝置，使負載在工頻電源下正常運行，保證生產(chǎn)安全、持續進(jìn)行。

　　根據泵站供水系統改造報表統計，改造前水的單位電耗為0.34kWh/t，改造后平均為0.306kWh/t，一年可節約電能183萬(wàn)kWh（年均運行時(shí)間250天）。按電價(jià)0.5元/kWh計算，年可節約電費近91.5萬(wàn)元，最多1年半內即可收回全部投資成本。

結語(yǔ)

　　總之，變頻器是一項集現代化先進(jìn)電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)于一體的高效節能技術(shù)，大大改善了供水生產(chǎn)及現場(chǎng)環(huán)境，不僅產(chǎn)生了很好的節能效益，還優(yōu)化了生產(chǎn)工藝。PLC控制技術(shù)、Profibus總線(xiàn)技術(shù)和高壓變頻技術(shù)的完美結合，使生產(chǎn)現場(chǎng)集成自動(dòng)化程度更高，運行更穩定，操作更簡(jiǎn)單。