變頻器和軟啟動器在城市供水中的應用

[摘 要] 本文介紹了變頻器和軟啟動器在城市供水中應用的優越性和節約效果。
[關鍵詞] 變頻器 軟啟動器 應用 優越性 節約效果
某山區小城，僅有日產1.5萬噸自來水的小水廠，供該城市區10萬居民的生活及城內企業之用水，十分緊張。春夏季節繞城河里有水，居民可自行在河中取水和洗滌，一到秋冬季節，河道干涸，河床朝天，用水就成了大問題。水廠只得實施定時放水：早上5:00 ~ 7:00，下午16:00 ~ 19:00，給水站前排起了長龍，為了水曾發生斗毆，甚至于命案。為了解決居民用水問題，市府立項“民心工程”——建一座日產10萬噸自來水的水廠，深受市民歡迎。
此處僅討論與水廠水泵有關的變頻器和軟啟動器的應用情況，排除了自來水制造的工藝流程問題。
水廠共三口取水井，廠內一口，廠外二口；廠外二口取水井分別距水廠3km和5km，井深均為200m。三口井的日出水量分別為1.5萬噸、4萬噸和6萬噸，所有水泵配備的電動機均為籠型異步電動機，其功率分別為75kw一臺、180kw二臺和320kw二臺。
水廠的成品水通過二泵房送至供水管網，二泵房共有五臺泵，均配備籠型異步電動機，容量為180kw三臺，320kw二臺。
我們僅關心電器設備的控制及作用，并不計及城市供水管網的結構。
由于這是一個新老結合的管網，它由新老二部分組成：新城區和省級經濟技術開發區是新管網，它采用壓力泵調節水壓的供水方式；老城區則為老管網，它采用高位水塔維持供水壓力的方式，并且還有二個標高，1#蓄水池（水塔）標高900m，給老城較高地區的居民區供水；2#蓄水池（水塔）標高860m，給老城較低地區的居民供水。它們分別由1#泵站和2#泵站給其注水，分別距水廠2.8km和1.2km，所有水泵電動機亦均為籠型異步電動機。1#泵站的二臺水泵電動機功率分別為55kw和90kw，2#泵站的二臺則為135kw和180kw。
水廠的其它電氣設備容量都較小，況且計量泵和攪拌泵都隨主機帶上了變頻器，故不予考慮。
軟啟動器和變頻器特別適合于城市供水系統是基于以下三點：
首先，軟啟動器和變頻器對提高供水系統技術性能指標：在調壓式供水系統中，適當分配軟啟動器和變頻器的數量和功率，用軟啟動器作為主要供水電動機的驅動裝置，用變頻器作為供水壓力的調節裝置。根據自動調節原理，我們把供水壓力U作為調節量，供水量作為擾動量f構成閉環控制系統，工作原理如圖1 。

此處對象就是水泵，當供水系統的擾動（供水量）f增大時，供水壓力U下降，給定值Ui與其差值DU增大，使水泵轉速提高，直至接近供水壓力U的給定值Ui。反之，當擾動量（供水量）f降低時，DU下降，使水泵轉速下降。這樣，不管系統供水流量大小如何變化，供水的壓力U始終維持在給定（壓力）值Ui的附近。
其次，使用軟啟動器和變頻器可使水泵按系統需要實現軟啟動和軟停止，這些可以避免突然啟動對管網和閥門及其它供水設備的沖擊，同樣也可避免水泵突然停止時的水錘效應，減少了供水設備的疲勞損壞和檢修工作量，延長了使用壽命。
第三，使用軟啟動器和變頻器可節約投資和電能，降低自來水生產成本。
節約電能降低生產成本是無人懷疑的，節約投資就不然了。實際的情況是：在電網上直接啟動電動機，其容量不得大于電網容量的15 ~ 20%，選用軟啟動器和變頻器后可把變壓器的容量下降至傳統驅動方式時的40 ~ 50%。我們這次是這樣做的；1#取水井的變壓器由1600kvA降至800kvA；2#取水井的變壓器由1000kvA降至400kvA；1#泵站的變壓器由500kvA降至160kvA；2#泵站變壓器亦由1000kvA降至400kvA。加上水廠內的1600kvA變壓器，整個供水系統的變壓器容量由原來的為5700kvA降至3360kvA，降低了變壓器容量2340kvA，節約設備投資30萬元，基本電費65萬元，同時降低了搬運和安裝費15萬元，線路架設費10萬元，共計節約120萬元之多，彌補購置變頻器和軟起動器之差價還略有剩余。此外還減少無功補償容量3500kvaR，節約投資60萬元有余。
節能有三個方面：一是軟啟動器較傳統直接啟動節約電能7 ~ 8%；二是變頻調速可取消檔板流量調節裝置，直接實施供水流量調節，可節電40 ~ 50%；三是采用變頻調速，實施調節水壓供水方式較高位水塔維持水壓供水的方式節能20 ~ 30%，因為在后者供水方式中，高位水塔中水的勢能在使用時被白白地浪費了。
鑒于變頻器的商業價格通常為軟啟動器的3 ~ 4倍，因此必須堅持慎重選用變頻器，以期物盡其用。我們選用的最終結果是：1#取水井75kw變頻器一臺；2#取水井180kw軟啟動器二臺；3#取水井320kw軟啟動器二臺；1#泵站55kw變頻器一臺、90kw軟啟動器一臺；2#泵站135kw變頻器一臺、180kw軟啟動器一臺；二泵房320kw變頻器一臺、320kw軟啟動器一臺、180kw軟啟動器三臺。一年運行的節電效果如下：1#取水井節電22萬千瓦時，2#取水井節電20萬千瓦時，3#取水井節電35萬千瓦時，1#泵站節電23萬千瓦時，二泵房節電160萬千瓦時，共計一年節電305萬千瓦時，僅節電一項可使每噸水的生產成本下降0.1元，相當于每年節約電費365萬元。
同時，供水的技術指標有了大幅度的提高，供水壓力的波動度降到±1.5Pa。可靠性提高到99.5%。