變頻調(diào)速裝置在新型農(nóng)村供水泵站中的應(yīng)用
變頻調(diào)速裝置在新型農(nóng)村供水泵站中的應(yīng)用
隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，新的工業(yè)區(qū)不斷涌現(xiàn)，居民的居住也愈發(fā)密集，小區(qū)及高層建筑越來(lái)越多，因此對(duì)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、油庫(kù)、恒壓補(bǔ)水噴淋等供水系統(tǒng)中，目前都是采用傳統(tǒng)的水塔、高位水箱、氣壓增壓等設(shè)備進(jìn)行供水，這些設(shè)備不僅維護(hù)量大，投資多，占地面積大，能量浪費(fèi)嚴(yán)重，而且還不能滿足工業(yè)消防等高水壓、大流量和自動(dòng)改變供水流量以適應(yīng)小區(qū)或高層建筑內(nèi)每天24小時(shí)不斷變化的用水量的要求，更達(dá)不到高效率和節(jié)能的要求， 因此，尋求一種有效、可靠、經(jīng)濟(jì)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)， 從而使水泵始終高效工作， 并能提高泵站的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，達(dá)到節(jié)能的目的顯得尤為重要。
1供水泵站系統(tǒng)存在的問(wèn)題
某供水泵站于1999年建成。現(xiàn)泵房?jī)?nèi)安裝4臺(tái)6kV臥式離心水泵電動(dòng)機(jī)組，單機(jī)容量1250kW，工程供水規(guī)模310m3/s。正常情況下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)投入3臺(tái)機(jī)組，1臺(tái)備用，由定速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。水泵站裝機(jī)按最不利條件下、最大時(shí)流量和所需相應(yīng)揚(yáng)程決定。泵站供水對(duì)象用水量不均勻，實(shí)際上每天只有很短時(shí)間能達(dá)到最大流量，大多數(shù)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(shì)平坦地區(qū)，在幾何揚(yáng)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。為適應(yīng)流量變化，泵站運(yùn)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(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度，流量難以精確控制，系統(tǒng)效率低。
1.2當(dāng)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(zhǎng)期處于40%～70%開(kāi)度運(yùn)行，加速閥體自身磨損，導(dǎo)致閥門(mén)控制特性變差。
1.4閥門(mén)調(diào)節(jié)不當(dāng)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(shè)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(tǒng)的使用壽命變短，日常維護(hù)量大，維修成本較高。
1.6吸水池高水位、調(diào)節(jié)池低水位時(shí)，兩臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行，管道出現(xiàn)互激水力振動(dòng)現(xiàn)象。
為解決以上問(wèn)題，將3#機(jī)改為變頻調(diào)速運(yùn)行，利用高壓變頻器對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻控制，實(shí)現(xiàn)供水流量的變負(fù)荷調(diào)節(jié)，達(dá)到恒壓供水目標(biāo)。不僅解決了閥門(mén)調(diào)節(jié)線性度差的問(wèn)題，還提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；更重要的是減小了因調(diào)節(jié)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(tǒng)對(duì)管路密封性能的破壞，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，減少了維護(hù)量，改善了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約了能源，為降低廠用電率提供了良好的途徑。
2變頻調(diào)速節(jié)能分析
根據(jù)泵與風(fēng)機(jī)學(xué)的相似定律，水泵系統(tǒng)采用變頻調(diào)節(jié)時(shí)，直接通過(guò)改變水泵電機(jī)頻率改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以滿足不同運(yùn)行工況的需求。此時(shí)電機(jī)消耗的能量已與電機(jī)轉(zhuǎn)速立方的關(guān)系下降，變頻調(diào)速節(jié)電效果從原理上分析非常顯著。
變頻系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，泵站出口壓力維持不變。給定出口壓力為Hg。當(dāng)流量Q變動(dòng)時(shí)，因轉(zhuǎn)速變化導(dǎo)致?lián)P程特性H1～Q上下移動(dòng)，泵工作點(diǎn)在H=Hg線上作水平移動(dòng)（A、B、C、D）。通過(guò)特性曲線可以清楚地看出水泵消耗軸功率的變化，即采用變頻調(diào)速保證壓力恒定與流量需求。原設(shè)計(jì)單臺(tái)運(yùn)行時(shí)，H=Hg=60m，Q=Qg=3960m3/h。結(jié)合本項(xiàng)目改造水泵特性實(shí)際運(yùn)行頻率設(shè)定在38Hz（保證壓力需求），根據(jù)公式 ，水泵流量和電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，可計(jì)算出不同轉(zhuǎn)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(diào)整
經(jīng)綜合考慮，水泵高壓變頻系統(tǒng)采用恒壓供水方式，測(cè)量元件采用壓力傳感器，裝設(shè)在水泵機(jī)組出水口處，供水壓力V作為輸出量，Vi為恒定供水壓力設(shè)定值，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)控制方式。高壓變頻器內(nèi)部?jī)?nèi)嵌式可編程控制器采集供水壓力值V與給定值Vi進(jìn)行比較，通過(guò)PID調(diào)整，將調(diào)整結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號(hào)傳送至變頻器，直至達(dá)到供水壓力給定值Vi。不管系統(tǒng)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(jù)偏差相應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)PID參數(shù)。當(dāng)運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)離目標(biāo)參數(shù)時(shí)，調(diào)節(jié)幅度加快，隨著偏差逐步接近，跟蹤幅度逐漸減小，接近相等時(shí)，系統(tǒng)將達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，供水系統(tǒng)將達(dá)到恒壓運(yùn)行穩(wěn)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(shù)
配置4臺(tái)相同離心水泵（3用1備），水泵型號(hào)28SH—12，額定流量1.1m3/s，額定揚(yáng)程60m，額定功率743kW；電動(dòng)機(jī)型號(hào)YRKK630—6，額定電壓6kV，額定功率1250kW，額定電流145A，轉(zhuǎn)速998r/min，功率因數(shù)0184。高壓變頻器型號(hào)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(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)等功能。
4.2技術(shù)方案
考慮高壓變頻設(shè)備利用率最大化與遠(yuǎn)期變頻應(yīng)用等，將變頻系統(tǒng)方案配置為“一拖二”，一套變頻系統(tǒng)拖動(dòng)一臺(tái)電機(jī)變頻運(yùn)行，另一臺(tái)可工頻運(yùn)行，即一臺(tái)水泵由變頻器拖動(dòng)，另外一臺(tái)水泵由6kV高壓電源直接驅(qū)動(dòng)。遠(yuǎn)期計(jì)劃中，將拖動(dòng)對(duì)象中的負(fù)載改為不同母管下的水泵，以適應(yīng)供水負(fù)荷的變化。
變頻系統(tǒng)方案說(shuō)明：M1變頻運(yùn)行時(shí)，斷開(kāi)QS3、QS6、QF2，閉合QS2、QS5、QF1；M2變頻運(yùn)行時(shí)，斷開(kāi)QS2、QS5、QF1，閉合QS3、QS6、QF2；M1/M2工頻運(yùn)行時(shí)（系統(tǒng)檢修或故障運(yùn)行狀態(tài)），斷開(kāi)QS2、QS3、QS5、QS6，閉合QS1/QS4。
6/10kV電源經(jīng)用戶輸入真空開(kāi)關(guān)QF1，通過(guò)變頻裝置進(jìn)線刀閘QS2到高壓變頻調(diào)速裝置，變頻裝置輸出經(jīng)出線刀閘QS5送至電動(dòng)機(jī)M1；經(jīng)用戶輸入真空開(kāi)關(guān)QF2，通過(guò)變頻裝置進(jìn)線刀閘QS3到高壓變頻調(diào)速裝置，變頻裝置輸出經(jīng)出線刀閘QS6送至電動(dòng)機(jī)M2；還可以經(jīng)旁路刀閘QS1、QS4直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)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(dāng)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(dāng)變頻裝置出現(xiàn)故障時(shí)，也可手動(dòng)操作刀閘，隔離變頻裝置，使負(fù)載在工頻電源下正常運(yùn)行，保證生產(chǎn)安全、持續(xù)進(jìn)行。
根據(jù)泵站供水系統(tǒng)改造報(bào)表統(tǒng)計(jì)，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(jié)約電能183萬(wàn)kWh（年均運(yùn)行時(shí)間250天）。按電價(jià)0.5元/kWh計(jì)算，年可節(jié)約電費(fèi)近91.5萬(wàn)元，最多1年半內(nèi)即可收回全部投資成本。
結(jié)語(yǔ)
總之，變頻器是一項(xiàng)集現(xiàn)代化先進(jìn)電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高效節(jié)能技術(shù)，大大改善了供水生產(chǎn)及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，不僅產(chǎn)生了很好的節(jié)能效益，還優(yōu)化了生產(chǎn)工藝。PLC控制技術(shù)、Profibus總線技術(shù)和高壓變頻技術(shù)的完美結(jié)合，使生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)集成自動(dòng)化程度更高，運(yùn)行更穩(wěn)定，操作更簡(jiǎn)單。
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