變頻器在源水取水泵站中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2019-08-02 10:21:06來源：
水工藝專家們，對(duì)取水泵站選泵設(shè)計(jì)時(shí)，都是考慮供水保證率達(dá)到95～99%的比較低原水水位時(shí)泵站比較大出水量的供水規(guī)模。大家知道，枯水期間，江河水位比較低，水泵所需的揚(yáng)程比較高，而冬季的供水量很少；豐水期間，江河水位上升，夏季是高峰供水階段，供水量比較大，但水泵的靜揚(yáng)程不需要很高。由于某種原因，非正常供水也有可能經(jīng)常出現(xiàn)：如夏季高峰供水時(shí)出現(xiàn)特大干旱，此時(shí)江河水位也可能下降到比較低點(diǎn)，而此時(shí)供水量又要求比較大；冬季枯水期時(shí)也可能需要特大的供水量。這樣，投入巨資升建的取水泵站，將不能發(fā)揮作用，按設(shè)計(jì)規(guī)范選定的揚(yáng)程和流量參數(shù)將會(huì)變得非常不合理，運(yùn)行能耗和基建投資浪費(fèi)很大。
一個(gè)供水系統(tǒng)的取水泵站，其綜合水泵揚(yáng)程是由幾何高差和管道摩阻所組成。當(dāng)江河水域遠(yuǎn)離取水泵站時(shí)，其供水管道就很長(zhǎng)，按這種情況選取幾何高差較小時(shí)，管道摩阻數(shù)值所占比重都增大，而冬季或夏季后半夜時(shí)，配水揚(yáng)程就變得很低，水泵的工作點(diǎn)就會(huì)遠(yuǎn)離高效區(qū)。見圖1。
水泵的特性曲線有Q－H，Q－N，Q－η，Q－G是管道特性曲線。它們分別表示流量與揚(yáng)程、流量與軸功率，流量與效率，流量與管道摩阻特性之間的關(guān)系。
水量總是變化的。當(dāng)用水量減小時(shí)，如果水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)，則系統(tǒng)壓力將增高，當(dāng)流量減小到75%和50%時(shí)，可以看到：系統(tǒng)壓力憋高，而Hf將加大，Q－G曲線平移到Q′－G′，Q″－G″曲線上，它們與Q－H曲線交于A′和A″點(diǎn)，水泵工作效率降低了，大量的水頭勢(shì)能損失掉了，管網(wǎng)漏水量也將大大增加。為了使水泵工作效率仍保持在高效區(qū)，采用關(guān)小出水閘閥角度來調(diào)流，由圖1可知，水頭勢(shì)能全浪費(fèi)在閘閥上，閘閥就極容易被破壞。
為了適應(yīng)流量的變化，可改變水泵運(yùn)轉(zhuǎn)合數(shù)和組合，此時(shí)，水泵的工作點(diǎn)將運(yùn)轉(zhuǎn)在低效率上，大量的能源將浪費(fèi)在管道的水頭損失上。
如果采用變頻調(diào)速，從公式（2）、（3）、（4）、（5）可知，當(dāng)流量減少到75%和50%時(shí)，Q－H曲線平移至Q′－H′和Q″－H″，效率曲線Q－η移至Q′－η′和Q″－η″?？梢娝眯剩˙，B′B″點(diǎn)）基本不變，仍在高效區(qū)域內(nèi)，而水泵所需的軸功率都相應(yīng)減小了，轉(zhuǎn)速下降了，水頭損失不存在，但其工作效率卻很高。還有，水泵組合的揚(yáng)程處處能與管道綜合的系統(tǒng)阻力相適應(yīng)，能始終保持管網(wǎng)未稍的壓力穩(wěn)定。所以說，變頻調(diào)速是水泵機(jī)組節(jié)能降耗的比較佳選擇。北京市第九水廠、第八水廠的加壓泵站，天津市引灤工程、深圳東湖取水泵站，南水北調(diào)所有的輸水泵站，全國(guó)許多大中小型城市的取水輸水泵站，近十幾年均采用了變頻調(diào)速裝置。
東北市政設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的引英入連供水工程水源泵站，2001年正式投產(chǎn)，其供水能力為66萬m3/d，共5臺(tái)2800kW的臥式離心水泵，其中4臺(tái)水泵機(jī)組選用Simovert MV電壓源型變頻器，采用三電平的磁場(chǎng)定向失量控制技術(shù)，逆變側(cè)采用了大功率全控器件高壓IGBT元件，因?yàn)镮GBT元件的開通和關(guān)斷過程都是連續(xù)可控的，無需附加其它電路，就能實(shí)現(xiàn)dv/dt控制，減小了電機(jī)和變壓器上的dv/dt。由于采用了KTY84器件，可在線的得到高精度的轉(zhuǎn)矩控制，Simovert MV是一種可靠性很高的變頻器，四年來一直運(yùn)轉(zhuǎn)良好，其節(jié)電效果非常明顯：每年節(jié)電452萬度，每度電按0.6元計(jì)算，則每年均能省電費(fèi)536萬元。而取水泵站的全部調(diào)速裝置投資為800萬元，不到二年，就收回了基建投資。
3 變頻器在給水處理廠站中的應(yīng)用
給水處理工藝流程，一般為進(jìn)水、配水井、絮凝沉淀、過濾、清水池、配水泵房，送入配水管網(wǎng)；還有加藥、加氯、加氨等附助系統(tǒng)，中間還有回流泵房等。
每個(gè)城市的供水系統(tǒng)，每個(gè)水廠，水量變化是絕對(duì)的。春夏秋冬時(shí)變化系數(shù)和日變化系數(shù)都很大。凈配水廠的流量變化系數(shù)：
由此可見，凈配水廠比取水廠站的流量變化更大，給水處理廠更要考慮科學(xué)的調(diào)流降耗的措施。流量的千變?nèi)f化，索連著整個(gè)處理系統(tǒng)的不斷變化，如絮凝沉淀、各種過濾的處理程序，加氯、加氨加藥的隨機(jī)變化，以及回流泵房等，都要采取各種先進(jìn)監(jiān)控技術(shù)來調(diào)節(jié)變化。這些先不提了，重點(diǎn)研究一下送水泵房大容量水泵機(jī)組的調(diào)節(jié)問題。
上世紀(jì)八十年代中期，我院承擔(dān)的日產(chǎn)百萬噸的北京市第九水廠設(shè)計(jì)中已充分認(rèn)識(shí)了這個(gè)問題。從整個(gè)工藝流程到變配電設(shè)備選型，不是按比較高日比較高時(shí)的流量和其對(duì)應(yīng)的壓力為工作點(diǎn)來選水泵和水泵組合；而是在滿足比較大設(shè)計(jì)水量的基礎(chǔ)上，盡量使調(diào)速高效特性曲線接近系統(tǒng)的特性曲線，也就是說，盡量將各種調(diào)速泵組合的高效區(qū)能套入出現(xiàn)機(jī)率比較高的工作段或點(diǎn)上。調(diào)速水泵臺(tái)數(shù)，應(yīng)在全年內(nèi)運(yùn)行工況中開泵出現(xiàn)次數(shù)比較多的臺(tái)數(shù)為需要的臺(tái)數(shù)，而備用選泵用定速泵。見圖2，九廠配水泵特性曲線圖。
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現(xiàn)在北京水源九廠的送水泵房有了四套西門子的變頻調(diào)速裝置，第三期又上了二套羅賓康的電壓源型寬頻帶的變頻調(diào)速裝置。六臺(tái)2500kW的調(diào)速水泵機(jī)組同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。日供水量為150萬m3/d，占了北京總供水量的2/3之多，其節(jié)能降耗的成果非常顯著 。
從上世紀(jì)80年代開始，水工業(yè)市場(chǎng)真正步入了變頻調(diào)速時(shí)代。如北京水源九廠、深圳梅林水廠、深圳東湖泵站、北京第八水廠、長(zhǎng)春第二水廠，上海自來水公司，重慶、成都、武漢、昆明、石家莊、大慶油田、廈門、福州、東莞、天津、蘇州、沈陽、哈爾濱、西安自來水公司等幾百個(gè)大中小型水廠的配水泵房都選用了變頻調(diào)速裝置。水泵電機(jī)單機(jī)容量從200kW到3000kW，采用了大容量的變頻調(diào)速裝置約2000臺(tái)以上。200kW以下容量選用變頻調(diào)速裝置的就更多了。
4 變頻器在污水處理廠中的運(yùn)用
（1）城市生活污水、發(fā)電廠污水除硫工程，各系統(tǒng)工礦企業(yè)的污水處理的工藝主流程都是：提升泵房，曝氣池生化處理，污泥消化及污泥脫水，加藥處理。
為了達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，必須根據(jù)污水的流量和各種水質(zhì)參數(shù)來進(jìn)行監(jiān)控。重點(diǎn)介紹一下生物曝氣處理的調(diào)控問題。污水生化處理，必須適時(shí)提供菌膠團(tuán)生存和繁殖所需氧氣量。氧氣量少了，會(huì)降低細(xì)菌分析的效果，甚至導(dǎo)致生化處理失敗，氧氣量過多，污水中的細(xì)菌會(huì)過氧化。在生化處理過程中氧氣量與下列的水質(zhì)參數(shù)有關(guān)：生物需氧量BOD、化學(xué)需氧量COD、懸浮物SS、水量和溫度等。
曝氣所需的風(fēng)量與污水中的溶解氧的關(guān)系比較為重要。常規(guī)的風(fēng)量恒定控制和曝氣倍率控制都不是好的方法，沒有節(jié)能的效果，當(dāng)然曝氣所需風(fēng)量與溶解氧的關(guān)系也是非線性，根據(jù)溶解氧的偏差來調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)流量。檢測(cè)溶解氧含量是件非常困難的事情，過去采用PID技術(shù)建模預(yù)測(cè)，效果不好，采用模糊控制等技術(shù)，其超調(diào)和過度時(shí)間都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)的PID控制，其優(yōu)點(diǎn)是越調(diào)整量和振蕩小，過度時(shí)間短，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。根據(jù)溶解氧參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的閉環(huán)自動(dòng)控制。我們知道，鼓風(fēng)機(jī)在工頻下起動(dòng)，電流沖擊很大，引起電壓波動(dòng)，而鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓一定，只能靠調(diào)節(jié)出氣閥門和增減工作臺(tái)數(shù)，來改變風(fēng)量。這樣，增加管道阻力，能量浪費(fèi)在閥門上；在羅茨風(fēng)機(jī)上應(yīng)用變頻器技術(shù)，適當(dāng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量，從而調(diào)節(jié)污水中的氧氣含量。如某污水處理廠，曝氣機(jī)容量為132kW×4，每年節(jié)電885600kWh。采用變頻器調(diào)度，節(jié)電效果非常顯著。
（2）污水處理廠提升泵房的潛水機(jī)和脫水離心機(jī)，都可以根據(jù)處理量的多少來采用變頻調(diào)速裝置，使電機(jī)軟啟或軟停，可以消除水錘的沖擊破壞，防止電機(jī)過早的老化，又有顯著的節(jié)電效應(yīng)。
（3）污水處理過程中的加藥量多少，直接影響污水的排放標(biāo)準(zhǔn)。水質(zhì)參數(shù)和污水量變化是絕對(duì)的，藥劑量加少了，不能保證出水標(biāo)準(zhǔn)，藥量加大了造成很大的浪費(fèi)，過多過少都會(huì)嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境。現(xiàn)在新建的絕大多數(shù)污水處理廠站，都設(shè)計(jì)了自動(dòng)加藥裝置，保證了排放標(biāo)準(zhǔn)，又大大減小了浪費(fèi)。自動(dòng)投加藥系統(tǒng)的核心是安裝變頻器。通過模糊控制等技術(shù)，就可在線的實(shí)時(shí)的改變加藥泵轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到自動(dòng)加藥的目的。新的自動(dòng)加藥系統(tǒng)，大大簡(jiǎn)化了操作程序，又大大減輕了人力強(qiáng)度，降低了勞動(dòng)成本，提高了工作效率，大大提高了污水處理廠的競(jìng)爭(zhēng)力。
我國(guó)為了確保生態(tài)環(huán)境不繼續(xù)惡化，每年投資300多億元，隨著十一五規(guī)劃的實(shí)施，每年都要追加環(huán)保投資到500億元以上。污水處理的建設(shè)力度率比給水處理大得多，給變頻調(diào)速和各種先進(jìn)控制技術(shù)的采用，提供了更廣闊的空間。
5 變頻器在城市污水排放泵站中的應(yīng)用
沿江河兩岸的大中小型城市，如上海、南京、武漢、鎮(zhèn)江、天津等城市，為了保護(hù)城池，把建設(shè)污水排放工程放在非常重要的位置。舉例。
前幾年，上海市政府，利用世界銀行貸款來建設(shè)“上海市污水處理二期工程”這個(gè)污水排放泵站，采用了6臺(tái)1000kW～1600kW變頻器，電壓6kV。由于無法預(yù)測(cè)污水排量的實(shí)際數(shù)值，設(shè)計(jì)專家無法進(jìn)行精確設(shè)計(jì)。但選用了變頻調(diào)速設(shè)計(jì)方案后，選用統(tǒng)一容量的多臺(tái)水泵，能園滿的解決了上述問題。
他們通過篩選，選中美國(guó)羅賓康公司生產(chǎn)的中壓電壓源型變頻器。這種電壓源型變頻器，功率因數(shù)在0.95以上，效率高達(dá)97%，諧波電流總失真小于2%，采用低壓的IGBT器件，可靠性高，技術(shù)成熟。模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)簡(jiǎn)單，收到了很好的節(jié)電效果。其缺點(diǎn)是IGBT元器件過多，由5個(gè)690V的功率單元串聯(lián)，價(jià)格偏多，故障率也會(huì)偏多。
6 變頻器在城市高層樓群二次供水中的應(yīng)用
從“十一五”規(guī)劃開始，城鎮(zhèn)化建設(shè)將會(huì)更加迅猛發(fā)展，城鎮(zhèn)高層樓群的二次供水問題將顯得更加嚴(yán)重。氣壓罐、高位水箱、高位水塔、泵組分時(shí)供水等傳統(tǒng)的做法，已經(jīng)過時(shí)了。它們的共同缺點(diǎn)是占地面積大，基建投資高、管網(wǎng)系統(tǒng)壓力不可調(diào)，能源消耗巨大，特別是水錘問題無法解決，高層用戶不能保證供水，水質(zhì)二次污染嚴(yán)重，維護(hù)工作量和維護(hù)費(fèi)用巨大。不自主創(chuàng)新是沒有出路的。多少年來，許多城市，采用變頻調(diào)速技術(shù)構(gòu)建二次恒壓供水系統(tǒng)已取得了巨大成果：大大提高了水質(zhì)服務(wù)的質(zhì)量。但是，城市樓群在迅猛發(fā)展，采用變頻調(diào)速技術(shù)和各種先進(jìn)監(jiān)控技術(shù)，組建更節(jié)能更科學(xué)的二次供水體系，是擺在我們面前的巨大責(zé)任。沈陽自來水公司在這個(gè)領(lǐng)域做了大量的應(yīng)用研究工作，取得了很好的研究成果，為城鎮(zhèn)二次供水的節(jié)能降耗做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。二次供水只采用變頻器不行，還要研究各種先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)。據(jù)某城市實(shí)測(cè)，一臺(tái)154kw的變頻調(diào)速器用于水泵調(diào)速，每小時(shí)節(jié)電近40kWh，節(jié)電率高達(dá)28.5%，在鍋爐引風(fēng)機(jī)上安裝一臺(tái)22KW的變頻調(diào)速器，節(jié)電率可達(dá)30%，節(jié)電效果十分顯著。
7 結(jié)束語
水工業(yè)各系統(tǒng)領(lǐng)域的企業(yè)是傳統(tǒng)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是降耗節(jié)能比較有用武之地的巨大市場(chǎng)。上面提到的變頻器使用例子，只是一個(gè)縮影。變頻器將大大提高水行業(yè)各領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)效益和競(jìng)爭(zhēng)力，在全球化的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中就能占領(lǐng)一席之地，不安居思危，你的企業(yè)就會(huì)被別人并購(gòu)或被歷史所淘汰。
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