供水系統(tǒng)的變頻調(diào)速改造
發(fā)布時(shí)間：2019-08-02 10:17:25來(lái)源：
供水系統(tǒng)的變頻調(diào)速改造
1 引言
企業(yè)自備水廠是我國(guó)在一定歷史條件下的產(chǎn)物，由于受建設(shè)時(shí)期技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平局限，水廠設(shè)備設(shè)施選擇落后，控制保護(hù)系統(tǒng)不完善，系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性很差。雖然國(guó)家近年來(lái)相繼采取了一系列政策措施，關(guān)、停、并、轉(zhuǎn)了部分企業(yè)自備水廠。但是對(duì)于大中型國(guó)有企業(yè)，尤其是國(guó)家重點(diǎn)骨干企業(yè)的自備水廠，在社會(huì)保障體系并不十分完善的今天，它還將在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，企業(yè)如何減少自備水廠系統(tǒng)故障、降低運(yùn)行成本高，是節(jié)能降耗提高經(jīng)濟(jì)效益的當(dāng)務(wù)之急?，F(xiàn)代變頻調(diào)速技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為進(jìn)行供水系統(tǒng)節(jié)能改造提供了保障。
2 供水加壓泵站基本狀況及特點(diǎn)
2.1供水加壓泵站基本狀況
本文所介紹的改造供水加壓泵站建成至今已運(yùn)行20年左右，其配置有3臺(tái)水泵（每臺(tái)泵額定流量200m³/h），電機(jī)容量75kW，采用自耦降壓?jiǎn)?dòng)控制，一回路400V電源供電，供水揚(yáng)程80m，管網(wǎng)出水壓力0.75MPa，日供水量8000m³。從20世紀(jì)90年代后期開(kāi)始，系統(tǒng)市場(chǎng)發(fā)生管網(wǎng)破裂，設(shè)備損壞等各種突發(fā)故障，造成供水中斷，嚴(yán)重影響企業(yè)正常生產(chǎn)、生活用水。
2.2加壓泵站供水系統(tǒng)特點(diǎn)
（1） 主要滿足企業(yè)生產(chǎn)工作用水需求，同時(shí)兼顧職工家屬生活用水；
（2） 由于生產(chǎn)生活用水時(shí)限差異，供水系統(tǒng)負(fù)荷變化較大，用戶用多少水？什么時(shí)候用水？哪些用戶用水等具有很大的不確定性。
（3） 供求負(fù)荷的不確定性非線性變化，對(duì)設(shè)備管網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊，形成各種故障隱患，供水可靠性差；
（4） 采用啟停水泵以及節(jié)流閥調(diào)整發(fā)式，控制調(diào)節(jié)水壓和流量，以滿足用戶的用水要求，無(wú)負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，運(yùn)行電能消耗成本較大，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性差。
3 變頻調(diào)速恒壓供水改造
3.1變頻調(diào)速技術(shù)在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用
供水系統(tǒng)中使用的泵類(lèi)設(shè)備屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q、壓力H以及軸功率P有如下關(guān)系：Q∝n,H∝n²,P∝n³,即：流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速立方成正比。從上述分析可知，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速即可方便地改變水的流量，保證水壓恒定，達(dá)到恒壓供水目的；通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在降低水流量的同時(shí)，可以有效降低系統(tǒng)的電能損耗。
根據(jù)電機(jī)理論，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=60f(1-s)/P，從式中可以看出，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有三種方式：
（1） 改變電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)P；
（2） 改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s；
（3） 改變供電電源頻率f。
對(duì)于大容量、高速運(yùn)轉(zhuǎn)的泵類(lèi)電動(dòng)機(jī)，采用前面兩種方式進(jìn)行調(diào)速控制，技術(shù)及制造工藝上存在一定困難。因此，對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)調(diào)速的比較佳選擇就是采用第三種方式：改變供電電源頻率f。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展、新材料新工藝的不斷應(yīng)用，變頻器性能日趨穩(wěn)定、功能更加完善，變頻調(diào)速技術(shù)正逐漸廣泛應(yīng)用于各類(lèi)電動(dòng)機(jī)調(diào)式控制系統(tǒng)中，尤其是泵類(lèi)及風(fēng)機(jī)類(lèi)電動(dòng)機(jī)。
3.2使用變頻器調(diào)速運(yùn)行的主要優(yōu)點(diǎn)
（1） 實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)，自由停車(chē)，避免水泵頻繁啟停
電動(dòng)機(jī)均通過(guò)變頻器從0～50Hz作緩慢加速啟動(dòng)，經(jīng)測(cè)量，變頻運(yùn)行時(shí)起動(dòng)電流?5A，而工頻直接起動(dòng)電流?300A，因此，變頻運(yùn)行完全消除了因直接起動(dòng)造成的對(duì)電動(dòng)機(jī)和電網(wǎng)的沖擊，降低了電動(dòng)機(jī)故障率，從而避免了水泵因突然高速啟動(dòng)所帶來(lái)的對(duì)管網(wǎng)的沖擊，減少管網(wǎng)爆管故障。
（2） 實(shí)現(xiàn)恒母管水壓控制
均勻平滑調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)水壓自動(dòng)控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。操作人員只須改變母管壓力設(shè)定值，不再調(diào)整節(jié)流閥，運(yùn)行自動(dòng)化程度大為提高，運(yùn)行和維護(hù)工作量降低。
（3） 管道壓力降低
原來(lái)節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)，流量變小時(shí)，管帶壓力反而升高，容易爆管，不利于管道安全運(yùn)行，而采用變頻調(diào)節(jié)后，流量變小時(shí)，管道壓力亦變低。
（4） 消除了泵的喘震現(xiàn)象，使泵處于比較佳運(yùn)行工況狀態(tài)
（5） 提高了功率因數(shù)
從電網(wǎng)側(cè)看，工頻運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)為0.85左右，變頻運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)達(dá)到0.95，
因此，改善了電機(jī)電源質(zhì)量，使電機(jī)運(yùn)行功率與實(shí)際負(fù)荷相匹配，即使同樣是滿負(fù)荷運(yùn)行，變頻運(yùn)行時(shí)，輸入電流明顯比工頻運(yùn)行時(shí)小，這也有利于節(jié)能和設(shè)備安全運(yùn)行。
3.3改造方案
（1） 方案簡(jiǎn)介
站3臺(tái)水泵實(shí)際設(shè)備配置情況，增設(shè)75KW變頻裝置及循環(huán)孔子裝置各一套，分別接至原有各控制柜的輸出端，使每臺(tái)水泵電機(jī)都能單獨(dú)進(jìn)入自動(dòng)恒壓供水閉環(huán)控制系統(tǒng)。保留原有降壓?jiǎn)?dòng)電控柜，作為備用，在自動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可轉(zhuǎn)換到手動(dòng)控制，使備用電控柜投入運(yùn)行，確保正常供水。
采用大循環(huán)方式，由3臺(tái)水泵、變頻器柜、PLC控制器、循環(huán)控制柜、啟動(dòng)柜以及壓力變送器組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。壓力變送器將管網(wǎng)壓力變化值轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，送入變頻器，變頻器根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，改造供水流量，使管網(wǎng)出水壓力始終保持恒定，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)恒壓供水。
（2） 工作原理
運(yùn)行由變頻柜與循環(huán)轉(zhuǎn)換柜、水泵、水流、壓力傳感裝置構(gòu)成的閉環(huán)自控系統(tǒng)，首先由變頻柜軟啟動(dòng)1#水泵，變頻器頻率從零升至50Hz，水泵達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。此時(shí)供水壓力若達(dá)不到設(shè)定的壓力，系統(tǒng)自動(dòng)將1#水泵切換到工頻恒速運(yùn)行，變頻器再軟啟動(dòng)2#水泵，進(jìn)行調(diào)速供水，如還達(dá)不到設(shè)定壓力，系統(tǒng)又自動(dòng)將2#水泵切換到工頻恒速運(yùn)行，變頻器又再軟啟動(dòng)3#水泵，直到達(dá)到設(shè)定壓力，變頻器始終停留在某一水泵上調(diào)速運(yùn)行。如運(yùn)行中變頻泵頻率降至設(shè)定的比較低頻率，供水水壓大于設(shè)定壓力，系統(tǒng)將自動(dòng)停止比較先啟動(dòng)的水泵，如仍大，再停第二次啟動(dòng)的水泵。在夜間運(yùn)行時(shí)，當(dāng)比較后一臺(tái)變頻泵頻率降到設(shè)定的比較低頻率，此時(shí)供水壓力還大于設(shè)定的壓力時(shí)，變頻裝置監(jiān)視管網(wǎng)壓力，若低于設(shè)定壓力的0.05Mpa，變頻裝置自動(dòng)喚醒，啟動(dòng)水泵補(bǔ)水。該系統(tǒng)就如此循環(huán)啟動(dòng)、調(diào)速運(yùn)行、停止，不斷進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到恒壓供水的目的。
（3） 主要功能特性
系統(tǒng)設(shè)有手動(dòng)、自動(dòng)；3臺(tái)泵循環(huán)或2臺(tái)泵循環(huán)；指定泵運(yùn)行以及按原有方式運(yùn)行等多種工作控制模式，選擇方便，保證了 整個(gè)加壓泵站供水系統(tǒng)在任何情況下均能正常供水。
該系統(tǒng)具有自動(dòng)循環(huán)起停和水泵定期自動(dòng)交換運(yùn)行功能，使各水泵運(yùn)行時(shí)間均衡，避免了某些水泵長(zhǎng)期運(yùn)行磨損嚴(yán)重，而某些水泵又因長(zhǎng)期停用（銹死）到用時(shí)又不能運(yùn)行的現(xiàn)象；
所有水泵均可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)、管網(wǎng)及機(jī)械無(wú)沖擊，從而極大地減少了設(shè)備的維修，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命；
系統(tǒng)具備完善的故障自診斷、報(bào)警和故障保護(hù)功能；
設(shè)有清水池水位控制，可連續(xù)監(jiān)視液位變化，并有上下限液位報(bào)警，避免水池缺水，造成水泵抽空事故和水滿溢出；
系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，可直接與微機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)微機(jī)自動(dòng)化管理。
3.4改造經(jīng)濟(jì)性分析
（1） 基本情況
根據(jù)加壓泵站改造前后3年運(yùn)行的有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，以下述基本參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析：
2臺(tái)水泵全年每天24h運(yùn)行，總運(yùn)行時(shí)間365×24＝8760h；供水總流量Qn=2×200=400m³/h；水泵的標(biāo)稱揚(yáng)程80（比較大揚(yáng)程90m）；用戶揚(yáng)程75m；水泵的標(biāo)稱效率76％；電機(jī)的額定功率P=2×75=150KW；電機(jī)的標(biāo)稱效率84％；變頻器的標(biāo)稱效率95％。電費(fèi)綜合價(jià)格0.60元/KW?h。
（2） 運(yùn)行節(jié)能計(jì)算
原系統(tǒng)每年運(yùn)行所耗電量為：866497KW?h
變頻調(diào)速恒壓供水改造后每年運(yùn)行所耗電量為：694399KW?h
年節(jié)電量：172098KW?h
節(jié)約電費(fèi)：103259元
改造工程總費(fèi)用：15.6萬(wàn)元
投資收回期：1.5年（從實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用收支情況，2年即收回了全部投資）
（3） 運(yùn)行曲線
在同一流量下，改造后功率明顯減小，所耗電量也明顯減小，節(jié)約了電能。
4 結(jié)束語(yǔ)
加壓泵站從2000年進(jìn)行變頻調(diào)速技術(shù)改造運(yùn)行至今，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益；系統(tǒng)故障停水基本消失，設(shè)備停運(yùn)檢修時(shí)間大大延長(zhǎng)，供水可靠性有了極大提高，保證了企業(yè)生產(chǎn)生活用水的需要。但在改造及運(yùn)行過(guò)程中，有許多經(jīng)驗(yàn)值得總結(jié)：
（1） 改造所用變頻器、PLC控制器、變送器及接觸器等主要元?dú)饧仨氝x用著名企業(yè)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品；
（2） 必須對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行同步改造，以確保變頻系統(tǒng)正常運(yùn)行；
（3） 緊持定期對(duì)變頻系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)；
（4） 定期進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)校核；
（5） 盡量采用成熟的新技術(shù)，以提高系統(tǒng)可靠性
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