變頻調(diào)速是城市高層供水系統(tǒng)的節(jié)能應用研究分析
變頻調(diào)速是城市高層供水系統(tǒng)的節(jié)能應用研究分析
從城市高層供水系統(tǒng)特點出發(fā)，分析了幾種調(diào)流技術(shù)的實際效果，論述了水工業(yè)領(lǐng)域調(diào)速節(jié)能的必要性，同時指出采用變頻調(diào)速是節(jié)能的最佳選擇。實踐是檢驗各種調(diào)速節(jié)能高新技術(shù)優(yōu)劣的唯一標準，理論問題已解決了，現(xiàn)在要加強各行業(yè)實踐中的應用研究。
1 引言
由于全國各省市城鎮(zhèn)化建設(shè)的飛速發(fā)展，近年來出現(xiàn)嚴重缺電缺水現(xiàn)象。許多城市出現(xiàn)限電限水現(xiàn)象。國家出巨資進行大規(guī)模的給水排水工程建設(shè)。據(jù)統(tǒng)計及預測, 全國城市缺水2000×104m3/d，排放污水量約1×108m3/d，我國每年新建擴建的水廠近600×104m3/d，污水處理廠的處理能力將達到700×104m3/d左右。建好管好給水廠和污水處理廠是緩解水工業(yè)與現(xiàn)代化城鎮(zhèn)建設(shè)的矛盾，是關(guān)系到國計民生的重要課題。在給排水工程的建設(shè)和管理運行中，設(shè)備運行管理費用很高，其中水廠的電耗約占50％。綜觀給水排水行業(yè)絕大多數(shù)是老企業(yè)，設(shè)備陳舊，供電設(shè)備老化，自動化水平低下，藥耗嚴重，先進控制技術(shù)極少采用。近幾年，新上的給排水廠自動化水平高些，也采用了一些先進控制技術(shù)，也組建了一些優(yōu)化調(diào)速的綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)。但大多數(shù)新建的FCS、DCS、PLC監(jiān)控系統(tǒng)也不能進行網(wǎng)絡化監(jiān)控，造成許多資源的消費。有許多廠站存在先天性的缺陷，變電站位置不合理，配電電纜太多太長，變壓器等設(shè)備選擇不合理，特別是水泵機組選擇不合理，工藝流程總體布局不合理，使給水排水系統(tǒng)的電耗居高不下。給排水廠運行管理，應從工藝流程及其配套用電設(shè)備的變配電系統(tǒng)的綜合設(shè)計系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)、水泵機組系統(tǒng)的三方向進行重點研究，要制定每噸水的綜合制造單位電耗和藥耗標準，即從每噸水的投資到運行的最佳的代價做文章。在這里，單就水泵機組的最佳節(jié)能技術(shù)在實際中的選擇進行分析和研究。
2 城市高層供水系統(tǒng)特點
2.1 城市高層供水系統(tǒng)工況特點
一個城市的城市高層供水系統(tǒng)特點，就是多水源、多泵站、多水廠、多管網(wǎng)、變化大。一年之中，隨季節(jié)而變的日變化，一日之內(nèi)又隨時間而變化的時變化。進水水質(zhì)和流量也是非線性的在變化。設(shè)計中一般均以高日高時為設(shè)計點，表面上看已滿足了供水需求，但實際上大部分系統(tǒng)均不能滿足實際的水變化。一個城市高層供水系統(tǒng)，一個水廠的綜合水泵揚程是由幾何高差和管道摩阻變化所組成。幾何高差是不變的，而管道摩阻是隨流量的平方而變化。當輸配水管道距離長而選的幾何高差較小時，管道小時，管道摩阻在揚程中所占比重就增大;而在后半夜或所需供水量極小時，配水揚程就變得很低，將使水泵的工作點遠離高效區(qū)。
2.2 城市高層供水系統(tǒng)變化系數(shù)
(1) 日變化系數(shù)Kd最高日用水量與年平均日用水量之比叫高日系數(shù)Kd1，而低日系數(shù)為當日最低用水量與年平均用水量之比Kd2。一般Kd1在1.2至1.5之間，為了宏觀定性分析，取Kd1=1.4, Kd2=0.6。
(2) 時變化系數(shù)Kh高時系數(shù)Kh1:最高小時用水量與日平均小時用水量之比; Kh1在1.3至1.6之間，一般取1.4;低時系數(shù)Kh2≈0.5左右。
2.3 總的綜合揚程流量變化
(1) 取水廠站流量變化:一般，取水廠站選泵的揚程按每年最大流量，每年最低水位來考慮，其流量變化系數(shù)為:
KQ=Kd1/Kd2=1.4/0.6=2.33水泵工作揚程：H＝Hh＋Hf＝Hh＋CQ2 （1）
Hh為幾何高差, 一般不變化;Hf=CQ2為管道摩阻水頭。摩阻水頭變化Hfmax/ Hfmin= Kd12/ Kd22=5.4
實際上每年最低水位機率很小, 每年絕大多數(shù)時間均高于這個低水位, 所選泵的揚程長期不能運轉(zhuǎn)在高效率區(qū)域內(nèi)。
(2) 凈配水廠站流量變化用水的高峰季節(jié)，在分壓供水系統(tǒng)中要增加供水管網(wǎng)的壓力，就要調(diào)節(jié)管網(wǎng)的供水量，按最大供水量、最高管網(wǎng)壓力來選擇配水泵及臺數(shù)。
配水系統(tǒng)流量變化是:可Kj= Kd1* Kk1/ Kd2 Kk2=1.4*1.4/0.6*0.5=6.53
由此可見，流量變化是很大的，配水泵站比取水廠站的流量變化更大，這說明水工業(yè)領(lǐng)域必須考慮調(diào)流的主要原因。也說明水泵機組優(yōu)化調(diào)速節(jié)能的潛力巨大。
3 城市高層供水系統(tǒng)變頻調(diào)速是各種調(diào)流方式的最佳選擇
水泵的特性曲線有Q-H，Q-P，Q-η，Q-G管道特性曲線。它們分別表示流量與揚程、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。
(1) 用水量總是變化的, 當用水量減小時, 如果水泵正常運行，則系統(tǒng)壓力將增高。當流量減小到75％和50％時，它們的變化是:用水量減小時, 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曲線交點為A′和A″點，由曲線可知，水泵的工作效率降低了，大量水頭損失掉了，漏水量也將大大增加。
(2) 為了使水泵工作效率仍保持在高效區(qū), 采用關(guān)小出水閘閥的角度來調(diào)流, 此時，水頭損失全浪費在閘閥上。
(3) 為了適應流量的變化, 可改變水泵運轉(zhuǎn)臺數(shù)和組合,此時，水泵的工作點將運轉(zhuǎn)在低效率上，大量的能源將浪費在管道的水頭損失上。
(4) 采用變頻調(diào)速來適應流量變化
(1) Q/Q′/Q″＝n/n′/n″
(2) H/H′/H″＝n2/n′2/n″2
(3) P/P′/P″＝n3/n′3/n″3
(4) n＝60f(1-s)/p
(5)其中:n為轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速;
S為電機轉(zhuǎn)差率;
f為定子頻率;
P為電機極對數(shù);
Q為綜合流量;
H為水泵揚程;
P為電機功率。
如果選用變頻調(diào)速，就是通過改變定子頻率，來改變異步電動機轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速，同時，又要滿足電動機轉(zhuǎn)矩的要求，達到水泵運轉(zhuǎn)在高效率區(qū)域內(nèi)。
速度改變了，水泵的流量、揚程、功率都隨著改變。優(yōu)化了整個工藝流程運轉(zhuǎn)條件，消除了水錘破壞的事件。
從公式(2)(3)(4)(5)可知，當流量減小到75％和50％時，Q-H曲線變成Q′-H′、Q″-H″曲線，其效率曲線由Q－η變成Q′-η′和Q″-η″, 水泵效率(B、B′、B″)基本不變，還在高效區(qū)域內(nèi)，而水泵所需的軸功率也減小了。轉(zhuǎn)速下降了，水頭損失不存在，其工作效率卻很高。另方面，水泵組合的揚程處處能與管道綜合的系統(tǒng)阻力相適應，始終保持管網(wǎng)末稍的壓力穩(wěn)定。當采用液力耦合器或電磁滑差離合器來調(diào)速，改變流量，均有一定的節(jié)能效果，但轉(zhuǎn)差功率損失了，低速時損耗更大，效率更低;當采用串級調(diào)速技術(shù)時，無論采用外串還是內(nèi)饋，需增設(shè)起動電阻和電容補償，功率因數(shù)低，低速時更低。
4 城市高層供水系統(tǒng)實例分析
上世紀80年代，我院承擔的百萬噸大規(guī)模的北京市第九水廠設(shè)計中，從工藝流程到變配電設(shè)備選型，不是按最高日最高時的流量和其對應的壓力為工作點來選不同容量水泵和水泵組合;而是在滿足最大設(shè)計水量的基礎(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)機率最高的工作段或點上。調(diào)速泵臺數(shù)，應在全年內(nèi)運行工況中開泵出現(xiàn)次數(shù)最多的臺數(shù)為需要的臺數(shù)，而備用泵選用定速泵。
先看取水泵站。取水泵站的各種臺數(shù)組合的高效中心線，均在系統(tǒng)特性曲線的左側(cè)。在設(shè)計運轉(zhuǎn)臺數(shù)時，應將高效中心線包入最大流量點的曲線段，曲線向右下方移動，流量加大而揚程降低，使其與4臺泵運轉(zhuǎn)的系統(tǒng)特性曲線重合或靠近，水泵綜合運轉(zhuǎn)效率就會更高。從系統(tǒng)分析看，水泵同時運轉(zhuǎn)4臺為最經(jīng)濟，考慮分期建設(shè)，第一期選用兩臺容量最大的水泵調(diào)速將更經(jīng)濟合理。
再看配水廠站配置。從電算可知，首期2臺泵運轉(zhuǎn)出現(xiàn)機率最高，其次為3臺，同時各種臺數(shù)組合的高效區(qū)均能包入高日高時流量的基礎(chǔ)上向右下方移動，見圖2。加大額定流量降低額定揚程，使配水泵綜合的高效中心線介于兩、三臺水泵運轉(zhuǎn)時系統(tǒng)特性曲線之間，二期后同時運轉(zhuǎn)需要4臺，再考慮日變時變率，運轉(zhuǎn)泵均為調(diào)速泵比較合理。當一臺調(diào)速泵有故障時，三調(diào)一定運轉(zhuǎn)，其綜合效率降低一點，而工作揚程還是較高。所以，備用泵選用定速泵比較經(jīng)濟合理。只上一臺機組，既增加了投資，又無實際意義。
只從理論上研究單臺水泵機組調(diào)速并不能解決任何實踐需要，這種學究式的理論研究是沒有任何意義的事情。
5 城市高層供水系統(tǒng)選用變頻調(diào)速技術(shù)應注意的問題
5.1 城市高層供水系統(tǒng)可選的幾種變頻調(diào)速技術(shù)
從上世紀80年代開始，我國水工業(yè)真正步入了變頻調(diào)速時代。如北京水源九廠、深圳梅林水廠、深圳中西部源水系統(tǒng)各泵站、北方南水北調(diào)各大輸水泵站、上海原水公司和自來水公司、上海排水管理公司、廣州、福州、廈門、東莞、天津、重慶、石家莊、昆明、成都、潮州、大慶油田等自來水公司的上百個大中型水廠和泵站都選用了變頻調(diào)速裝置。水泵電機容量從315kW到2500kW，采用變頻調(diào)速裝置的臺數(shù)1000臺以上。200kW以下容量選用變頻調(diào)速裝置就更多了。
由于電流型變頻器是全控橋整流，諧波非常豐富，對電網(wǎng)公害大，抑制諧波的措施比較復雜，在價格和可靠性上失去了優(yōu)勢，在水工業(yè)領(lǐng)域中已很少采用了。220kW及以上水泵機組可選擇的變頻調(diào)速裝置有以下5種:
(1) “中－低－中”變頻器
優(yōu)點是變頻器價格低，缺點是增加了占地面積和成本，增加了兩級變壓器損耗，可靠性大大降低了，在低速時，變壓器效率更低，功率因數(shù)也低。
(2) 低壓大功率變頻器國產(chǎn)低壓變頻器
已做到1000kW, 國外已做到2000kW。建議盡量選用1.7kV、2.3kV、3.3kV多相特殊電動機。
(3) 中－低壓大功率變頻器
其優(yōu)點是中壓輸電損耗小，低壓變頻效率高，輸入變壓器一側(cè)采用角(△)接法，可吸收變頻系統(tǒng)中的高次諧波。
(4) 中－中壓變頻器l中壓IGBT PWM變頻器。
額定功率因數(shù)≥0.96，系統(tǒng)器件由60支減為24支, 電路簡化了, 可靠性提高了。l中壓IGCT PWM變頻器。額定效率＞98％，額定功率因數(shù)＞0.95。
(5) 多重化多級串聯(lián)中壓變頻器
美國ROBICON公司、日本安川、富士、東芝公司等公司，都先后推出了多重化多級串聯(lián)中壓變頻調(diào)速裝置。采用多電平結(jié)構(gòu)和多級低壓小功率IGBT PWM變頻單元串聯(lián)輸出中壓變頻交流電，實現(xiàn)了大功率集成。額定效率≥96％，額定功率因數(shù)≥0.95。但必須指出，同一容量采用中壓設(shè)備不但價格貴得多，且可靠性也下降了。
5.2 關(guān)于水泵電機采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻調(diào)速控制方案的思考
矢量控制系統(tǒng)(VC)和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)(DTC)，都是高性能的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，都是轉(zhuǎn)矩控制，都是基于異步電動機的動態(tài)數(shù)學模型設(shè)計的。矢量控制系統(tǒng)的特點是:通過坐標變換，按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，電機模型需要電機參數(shù)多，定向準確度受參數(shù)變化影響大。
直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)(DTC), 在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電機的定子轉(zhuǎn)矩磁鏈。DTC受轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)影響不大, 而VC受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化影響大, DTC魯棒性比VC強。
DTC系統(tǒng)由電機的電壓和電流計算出定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用砰－砰控制來實現(xiàn)變頻器的PWM控制，其著眼點是電壓，而矢量控制的著眼點是電流，存在電流調(diào)節(jié)時間滯后，而DTC沒有電流控制環(huán)路，沒有任何電流反饋，電機可以獲得較大的加速電流，產(chǎn)生較快的電流響應和轉(zhuǎn)矩響應，DTC轉(zhuǎn)矩響應比VC快4～5倍。
DTC由于采用砰－砰控制，其開關(guān)頻率不穩(wěn)定，其電流的諧波比VC稍大些，變頻器效率略比VC低一些，就是說DTC控制變頻器的穩(wěn)態(tài)指標要比VC差一些。無速度傳感器控制是DTC和VC控制系統(tǒng)共同的研究課題，并不是DTC的發(fā)明專利，它們都采用同樣的交流電機數(shù)學模型。DTC的低速控制性能不好，用轉(zhuǎn)子磁鏈控制來補償DTC的低速性能，控制系統(tǒng)低速時用ISR，高速時過渡到DTC。在水泵機組、生化處理、加藥系統(tǒng)中選用DTC系統(tǒng)，還是VC系統(tǒng)，要注意選擇，否則有害無益。DTC和VC系統(tǒng)作為高性能的調(diào)速系統(tǒng)，在本質(zhì)上是相同的，都能實現(xiàn)較高的靜、動態(tài)性能。DTC和VC系統(tǒng)，由于控制方法上的差異，各有特色，各有不同的優(yōu)缺點，各有側(cè)重的應用領(lǐng)域。矢量控制更適應于寬范圍調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，直接轉(zhuǎn)矩控制更適應于快速轉(zhuǎn)矩響應，魯棒性好的大滯后運動控制系統(tǒng)，兩種系統(tǒng)都存在一些不足，兩種系統(tǒng)的研究和開發(fā)工作都朝著克服其缺點方向發(fā)展。
5.3 城市高層供水系統(tǒng)變頻調(diào)速的水泵機組必須聯(lián)網(wǎng)受控
現(xiàn)在是網(wǎng)絡化、電子數(shù)字化時代。供水系統(tǒng)是一個非常復雜的受多變量參數(shù)影響的大滯后的流程企業(yè)系統(tǒng)。“網(wǎng)絡就是控制器”。大水泵機組調(diào)速是關(guān)系到供水質(zhì)量的重要一環(huán)，必須按總的供水調(diào)度的需要進行工作。隨著工業(yè)以太網(wǎng)TCP／IP技術(shù)的不斷完善和Internet技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡監(jiān)控，可以“e網(wǎng)到底”，水泵機組等各工藝流程的重要設(shè)備的調(diào)速裝置，就像是底層的其他測試儀表一樣，是網(wǎng)絡上的一個節(jié)點，是整個供水系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡的一個棋子。他們都是有機的統(tǒng)一體，各泵站的水泵機組群體，根據(jù)綜合最小電耗藥耗指標，出廠水流量、壓力的瞬間需要，由優(yōu)化控制策略來確定其運轉(zhuǎn)狀態(tài)?？傊?，要使現(xiàn)場生產(chǎn)層、控制層和管理決策中心層集成一個管控一體化的生產(chǎn)系統(tǒng)，確保生產(chǎn)運行始終處在最佳狀態(tài)。
6 結(jié)束語
一個現(xiàn)代化城市的迅猛發(fā)展，加速了水工業(yè)系統(tǒng)工程的大量上馬。水工業(yè)領(lǐng)域中的泵類負荷約占全國用電負荷的40％?？v觀我國水工業(yè)系統(tǒng)絕大部分都設(shè)備陳舊、技術(shù)落后、耗能嚴重。1998年發(fā)布的我國“節(jié)約能源法”明文規(guī)定:“逐步實現(xiàn)電動機、風機、泵類設(shè)備和系統(tǒng)的經(jīng)濟運行,發(fā)展電機調(diào)速節(jié)電和電力電子技術(shù)”;“十五”規(guī)劃又進一步強調(diào):“積極開展資源回收利用大力提高資源綜合利用率”，“加快轉(zhuǎn)換工業(yè)增長方式，改善質(zhì)量節(jié)能降耗”、“鼓勵采用高新技術(shù)，帶動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級”。
生產(chǎn)機械的自動化和現(xiàn)代化，是水工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)，采用交流電機變頻調(diào)速等高新技術(shù)是生產(chǎn)自動化的重要手段，是電氣傳動方面的一場革命。技術(shù)設(shè)備落后，是我們很多水廠無法低成本、高質(zhì)量生產(chǎn)的根源，大力推廣變頻調(diào)速優(yōu)化調(diào)度等高新技術(shù)，就有可能使老設(shè)備一步到位的進入二十一世紀，調(diào)速節(jié)能勢在必行，齊心協(xié)力，讓水工業(yè)在我們的手里盡快優(yōu)化升級。各研究所及產(chǎn)品制造方面的專家學者，綜合各行各業(yè)的生產(chǎn)實踐，將那高深莫測的理論研究去解決實踐中的生產(chǎn)需要，才會有點價值。
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