優化高壓變頻器運行 爭創節能型泵站

1．前言
柿園水廠擔任了鄭州市西部地區的重要供水任務，日設計供水量為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。目前變頻技術在很多領域已廣泛應用，自來水行業中新建成的水廠大都采用變頻電機設備，它的特點是：提高水廠生產安全系數并有一定的節電作用。
2001年，總公司根據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的兩臺高壓變頻設備，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日投入向城市管網輸水運行。經過多年運行，設備基本良好，效益顯著。

2．變頻器節能的理論依據
我們從水泵調節原理得知，當水泵拖動電機工頻運行時，出力為額定值，轉速及功率亦為額定值；當采用變頻調速時，可以按需要升降電機轉速，改變水泵的性能曲線，使水泵的額定參數滿足工藝要求。根據水泵的相似定律，變速前后流量、揚程、功率與轉速之間的關系為：
Q1/Q2＝n1/n2，H1/H2＝（n1/n2）2，P1/P2＝（n1/n2）3，
其中，Q1、H1、P1—水泵在n1轉速時的流量、揚程、功率；
Q2、H2、P2—水泵在n2轉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，降低轉速大大降低軸功率可達到節能降耗的目的。

3．兩種變頻調速給水系統運行方式的分析
目前水廠變頻調速基本上都是通過給水系統管網上的壓力傳感器對管網的水壓進行采樣，將壓力信號轉換為電信號，并將其送至PID調節器與用戶設置的壓力值進行比較和運算，將結果轉換為頻率調節信號送至變頻器。變頻器根據傳送過來的頻率調節信號調整水泵電機的電源頻率，從而實現調整水泵的轉速。
　　變頻調速給水系統根據水泵出口壓力的變化情況可分為兩種：變壓變量給水系統和恒壓變量給水系統。
3.1　變壓變量給水系統
　　變壓變量給水系統的壓力傳感器設置在給水管網末端，PID調節器設定值為管網末端用戶所需的服務水頭值。系統通過自動調節使管網末端水壓保持恒定，使管路特性曲線和系統靜揚程不變，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，故理論上實現了“系統需要多少，機組提供多少”，不會由于供水量的減小而產生多余的靜揚程，節能效果滿意。但這只是一種理想情況，且系統中僅有變頻泵在單獨工作。由于變頻設備比較昂貴，大型給水系統往往采用變頻泵與定速泵并聯運行的方式供水。
　　現以系統中設置一臺變頻泵和一臺工頻泵并聯運行為例。當管網流量減小時，需要揚程相應降低，變頻泵可以通過減速運行實現。但為保證并聯機組正常工作，工頻泵揚程也必須相應降低，這只能通過增加流量實現，從而造成水量的漏失，且還可能導致工頻泵離開高效段工作，即沒有達到真正節能的目的。遇有以上情況，可以采取以下措施來改善其節能效果：
　　①對于小規模的給水系統，可以僅設一臺變頻泵，并使泵的高效區(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幾率較大的工況點。
　　②采用多臺泵調速運行。當然，由于變頻調速裝置價格比較昂貴，應綜合考慮其經濟因素而定。
　?、圻x擇工頻泵時，應使系統在最不利點工作時，工頻泵的工況點盡量靠近其高效區左側；如果最不利情況出現幾率較小，可以使其稍偏離高效區，落在高效區左外側。這樣，當系統揚程降低時，工頻泵仍可在高效區工作。
3.2　恒壓變量給水系統
　　恒壓變量給水系統將壓力傳感器設在水泵機組出水口，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運行為例。當管網流量減小時，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)，仍在高效區工作，從而達到節能目的。需要指出的是，當系統所需流量變小時，水泵出水口壓力(仍為最不利情況下系統所需壓力)大于管路此時需要的壓力，從而仍會在一定程度上導致靜揚程的浪費。以下兩種措施可以改善其節能效果：
　?、龠m當放大管網的管徑，使管路特性曲線更趨平緩，但這會增加管網的一次性投資，需要和節能效果作綜合經濟比較。
②選擇工頻泵時盡量使每臺泵的工況點落在高效區。
針對我廠的實際現狀，高壓變頻器拖動單個機組的節能效果好；還是變頻器拖動水泵機組和其他定速泵機組配合使用，再結合市區管網的節能效果好？從變頻器投入運行后，我們一直在不斷的探索。

4．最佳節能方式的探索
我廠對送水房的電機新安裝了遠傳電度表后，實現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能效果，根據我廠的實際運行規律，在報請總公司領導和中調的同意后，進行了對比運行實驗。我們分別用一臺變頻器閉環運行和其他定速泵配合；用兩臺變頻器一個開環運行一個閉環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，分別試驗多次，以下是這三種運行方式的千噸水電耗統計表：






從統計表可知：
全定速運行千噸水單耗平均值：155.9 kWh/dam
一臺變頻器閉環運行千噸水單耗平均值：151.6 kWh/dam
一臺變頻器閉環運行，一臺變頻器開環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能：155.9－146.9＝9 kWh/dam
一臺變頻器投入運行和定速泵比較節能：155.9－151.6＝4.3 kWh/dam。
根據反復實驗的結果，我廠得出結論：用兩臺變頻器一個開環運行一個閉環運行和其他定速泵配合，這種方式最經濟。

5．制定措施保障變頻器時刻處于運行狀態
根據反復實驗的結果，我們為送水泵站制定了嚴格的變頻器維修保養制度。按最佳節能方式調節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不間斷運行。

6．變頻器的優點
6.1安全運行
制水廠的安全生產包括用電和供水管網的安全。使用了變頻技術能有效地減小因大功率電機的啟動對用電電網的沖擊，同時保證管網中壓力的平滑過度，減少暴管的幾率。
大功率的水泵電機，每次開啟都會對廠區電網有影響。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，對電網造成威脅。特別是在電網回路中的電流已經接近滿負荷時，如果需要再開泵，雖然開啟后總電流不超過滿負荷規定的要求，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。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定的運行頻率，電機電流也能逐漸升高，電網所受的沖擊化解，從而提高了電網的安全運行系數。
管網壓力也是水廠的一項重要指導生產指標，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壓力正好在所要求的壓力值范圍內，每當管網用水需求變化時，壓力便明顯變化，必須調整車次，這樣做即不安全，也不經濟，而且管網在調整車次的短時間內，壓力變化較大，易發生暴管事故。而采用變頻泵，可以使壓力維持恒定，管網需求變化時，靠調節變頻泵的頻率可以滿足用水需求。從而大大降低了管網的暴管次數。

6.2節約能耗
變頻水泵電機的節能原理是靠減少供水管網中的不必要的水的機械能實現的。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節作用節省出來。
經過比較發現，水廠運行兩臺變頻器比以前全定速泵的節能情況如下：
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能：155.9－146.9＝9 kWh/dam
日節電費：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）。
全年節電費：1179.57×335天＝39.5157萬元

7．結束語
自來水廠在變頻調速給水系統的設計過程中，應根據給水管網的特點合理選擇泵的運行方式，以達到在滿足使用要求的前提下，既節省投資又節能的目的。
采用變頻器裝置調速后，實現了電動機的軟啟動，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。平滑調節管網壓力，每年節約電費39.5157萬元。柿園水廠電費占制水成本的73.90%，節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能型泵站。