隨著社會的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步，廣大企業(yè)及個人用戶急需實現(xiàn)城市恒水壓供水。為此揚(yáng)州自來水有限責(zé)任公司對部分原有工頻中壓(6kV)電機(jī)進(jìn)行了變頻調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)改造。我廠供水泵房原有五臺水泵，全部定速運(yùn)行，正常生產(chǎn)功率總需求在380kW~1000kW之間，由于用戶用水特性的關(guān)系，日夜供水量差異較大，為保證服務(wù)水壓在規(guī)定范圍內(nèi)，需要調(diào)節(jié)閥門開度或更替大、小水泵出水，使得水泵頻繁啟、停，引起電機(jī)、水泵、閥門故障的增加，水錘效應(yīng)的產(chǎn)生，對管網(wǎng)也會頻繁產(chǎn)生沖擊，不但浪費(fèi)了能源還損害了設(shè)備。為實現(xiàn)降本增效，提高供水質(zhì)量，實現(xiàn)恒水壓供水，逐步達(dá)到自動化水廠的生產(chǎn)要求，公司決定對部分機(jī)組加裝變頻調(diào)速系統(tǒng)。

1?變頻器

1.1 變頻器的概念

變頻器，指一種電力設(shè)備控制裝置，它的定義是：一種可以對電源電壓進(jìn)行調(diào)整，對電流頻率進(jìn)行改變的電氣設(shè)備。變頻器是科學(xué)發(fā)展下，變頻技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物。過去的變頻器在使用時多被包含在電動發(fā)電機(jī)等電氣設(shè)備中，并不能獨(dú)立進(jìn)行作業(yè)，而伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及半導(dǎo)體電子設(shè)備的出現(xiàn)，今天的變頻器在使用時已經(jīng)可以完全脫離各種電氣設(shè)備，單獨(dú)進(jìn)行使用。目前，變頻器被廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備和家用電氣設(shè)備中。

1.2 變頻器的應(yīng)用特點

變頻器的應(yīng)用范圍比較廣泛，當(dāng)其應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備或電氣設(shè)備中時，可以起到良好的節(jié)電節(jié)能作用。供水行業(yè)使用變頻器的目的是為了避免和解決供水故障，從而達(dá)到提高水廠供水質(zhì)量水平的目的?？偟膩碚f，變頻器的應(yīng)用特點主要有：其對電能的耗損率極低，且還可以將某些因用量變化而浪費(fèi)的電能儲存與節(jié)約下來，在節(jié)約電能的同時，也提高了電能的利用率；由于其具有調(diào)整電源電壓，改變電流頻率方式的功能，因此在應(yīng)用時它可以有效提高水廠的供水效率，并且可以根據(jù)用水季節(jié)的不同而自動調(diào)整電流頻率，實現(xiàn)平衡管網(wǎng)供水水壓的功能；此外，變頻器的使用還可在一定程度上降低供水系統(tǒng)中設(shè)備的損耗率，減少機(jī)械運(yùn)作期間的噪音，在滿足了水廠生產(chǎn)工藝要求的基礎(chǔ)上，還可有效改善生產(chǎn)車間的勞動環(huán)境。

2?變頻調(diào)速原理器

選用的是羅克韋爾PowerFlexTM7000的高低壓變頻器，其采用了多電平串聯(lián)技術(shù)，主要由移相變壓器、功率單元和控制器組成。

羅克韋爾PowerFlexTM7000采用了脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)-電流源逆變器(CSI)作為驅(qū)動端逆變器，如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)簡單、可靠和高性價比的功率單元，能適應(yīng)較寬的電壓和功率范圍。電力半導(dǎo)體開關(guān)器件在中壓范圍內(nèi)可以串聯(lián)使用。由于采用了母線電感器進(jìn)行電流限制，所以功率單元不需要半導(dǎo)體熔斷器。

變頻調(diào)速系統(tǒng)主要通過為水泵電動機(jī)提供頻率可變的供電電源，進(jìn)而實現(xiàn)水泵電動機(jī)的無極調(diào)速，最終依照預(yù)先設(shè)定的參數(shù)實現(xiàn)管網(wǎng)水壓自動化地連續(xù)變化。由三相異步電動機(jī)定子每相電動勢的有效值。

Eg=4.44f1NskNsΦm

式中Eg—?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?yīng)電動勢的有效值(V)

f1—定子頻率(HZ)

Ns—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)

KNs—定子基波繞組系數(shù)

Φm—每極氣隙磁通量(Wb)

當(dāng)在實際利用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的過程中，當(dāng)供電電壓E一定時，若f1變化則引起Φm會隨之變化。f1降低，磁通則上升，造成磁路過飽和，電流上升，使電動機(jī)帶載能力降低，cosΦ降低，鐵損增加，電機(jī)過熱；反之，f1上升，Φm下降，在R(負(fù)載)一定時，有過流的危險。因此希望Φm可以保持基本不變。要實現(xiàn)這個目標(biāo)，只要控制好Eg和f1，便可達(dá)到控制磁通Φm的目的，即

Eg/f1=常值

則磁通Φm可保持基本不變。因此變頻的同時也要變壓，即變頻調(diào)速控制方式中的V/F控制，常用VVVF表示。常見的變頻調(diào)速控制方式還有轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。

3?變頻技術(shù)與變頻器在水廠供水中的應(yīng)用

交流電動機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)尤其是計算機(jī)控制技術(shù)的成熟使得PLC和變頻調(diào)速結(jié)合得更加緊密，能夠為水廠發(fā)揮的積極作用更加明顯。

水廠供水變頻調(diào)速系統(tǒng)具有操作簡單、高可靠性、高抗干擾性、供水壓力恒定以及節(jié)能高效的優(yōu)勢；同時，借助于對該系統(tǒng)的更深入應(yīng)用，水廠可以實現(xiàn)無人值守；另外，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)多臺水泵的軟啟動以及軟停車，將傳統(tǒng)操作方式容易導(dǎo)致的管網(wǎng)水錘效應(yīng)降到最低；借助于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對水泵機(jī)房的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)維護(hù)和遠(yuǎn)程控制，拓展變頻器的操作靈活性并提高其工作可靠性。

3.1 PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)化與改善

供水變頻調(diào)速系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場控制層、控制主干層以及管理層三個部分。若系統(tǒng)采用DCS(分布式控制系統(tǒng))結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)難度比較低。DCS的控制模式采用“分散控制、集中管理”的多級控制模式，功能雖然分散，但是系統(tǒng)的可靠性得到了提高，水廠的控制主干層通訊利用以太網(wǎng)進(jìn)行。另外，現(xiàn)代化管理的發(fā)展趨勢也應(yīng)該是水廠當(dāng)前需要考慮的重要問題：水廠的管理網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該包括中心控制室的計算機(jī)系統(tǒng)，另外，為了能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)共享，水廠采集的各種數(shù)據(jù)都被輸入到管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的服務(wù)器當(dāng)中；生產(chǎn)數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)均被存放于同一個數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，并能夠?qū)λ畯S的實際運(yùn)行情況進(jìn)行實時監(jiān)視；另外服務(wù)器采用雙硬盤配置，提高了數(shù)據(jù)安全性；客戶端和服務(wù)器采用100Mb網(wǎng)卡，提高信息的傳輸速度。

3.2 變頻技術(shù)與變頻器可在水廠供水中的應(yīng)用

變頻技術(shù)與變頻器具有非常高的節(jié)電率，其節(jié)能降耗效果顯著，不僅能夠節(jié)省水廠冗余設(shè)計所導(dǎo)致的資源浪費(fèi)，而且還因為功率因數(shù)和調(diào)速精度高等獲得更加良好的運(yùn)行效益。變頻技術(shù)可在減低設(shè)備與物料的損耗、降低機(jī)械噪聲和損耗的同時，也能夠有效提高供水的質(zhì)量與數(shù)量，滿足生產(chǎn)工藝的動態(tài)要求。

4?變頻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行情況

公司變頻調(diào)速系統(tǒng)為全天候連續(xù)不間斷運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在工頻狀態(tài)下，泵口實際壓力值遠(yuǎn)離給定值時，啟動一臺工頻機(jī)組，滿足用水量要求。此時，通過變頻系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，出水流量滿足用水流量要求。

水泵泵口壓力給定值的設(shè)定，是根據(jù)四季用水流量需求曲線和全天用水需求曲線歷史數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生。城市供水管網(wǎng)正常運(yùn)行時，變頻系統(tǒng)按給定值閉環(huán)運(yùn)行；當(dāng)城市管網(wǎng)出現(xiàn)異常，在上位機(jī)上可實時改變給定值，滿足供水需求。

通過變頻調(diào)速系統(tǒng)5年來的運(yùn)行，明顯的降低了千噸水電耗，經(jīng)測算(除去維修保養(yǎng)時間以年運(yùn)行340天計，每天節(jié)約1440kW/d)年節(jié)約電能約49×104kW·h，大幅減少了工頻電機(jī)的啟停次數(shù)，降低了泵房工作人員的工作強(qiáng)度，泵口壓力曲線趨于平滑，消除了因管網(wǎng)壓力過高引起的爆管，降低了管網(wǎng)運(yùn)行時的漏失水量。為實現(xiàn)全自動恒壓供水提供了有效的數(shù)據(jù)積累。

結(jié)語

為了滿足水廠的生產(chǎn)工藝要求，勢必要采用和推廣變頻調(diào)速技術(shù)，利用變頻器的節(jié)能功能可推動我國供水技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展。通過變頻調(diào)速應(yīng)用前后對比，公司實現(xiàn)了恒水壓供水；變頻機(jī)組能夠柔性啟動，降低了啟動電流，明顯減少了千噸水電能消耗，經(jīng)統(tǒng)計較原來工頻機(jī)組降低15%左右的電耗。實踐證明高壓變頻器性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，是一種高效的水廠節(jié)能裝置，可在水廠節(jié)能工作中得以廣泛應(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅