淺析調速方式在自來水自動供水系統(tǒng)中的應用
淺析調速方式在自來水自動供水系統(tǒng)中的應用
自來水自動供水系統(tǒng)串級調速
1、 原理：目前應用于自來水自動供水系統(tǒng)的多為可控硅串級調速，可控硅串級調速是指繞線式電動機轉子回路中串一可變電勢，通過改變電勢的大小來改變電動機的轉差，達到調速的目的。電動機的轉子功率經(jīng)過可控有源逆變器，變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率的交流電能，將轉差功率返回電網(wǎng)，因此效率高。其基本原理如下：先將異步電機的轉子電壓經(jīng)過三相橋式整流，整成直流（Ud），再在直流側串入一個與其相反的直流電勢（Uβ），Uβ是由可控硅有源逆變器產生，通過改變逆變器的逆變角β來改變Uβ的大小，從而達到調速與節(jié)能目的。自來水自動供水系統(tǒng)串級調速電機特別是內反饋串級調速電機及其調速控制裝置是一種具有優(yōu)良的性能價格比的調速節(jié)能產品，適合于礦山、冶金、化工、石油、建材等工業(yè)部門和水廠、電廠等領域的大中型水泵、風機的調速節(jié)能運行，一般1～2年即可通過節(jié)電效益回收全部設備投資。對于風機、水泵類負載，由于其轉矩與速度的平方成正比，采用升壓變換的自來水自動供水系統(tǒng)串級調速裝置最大逆變功率只有電機額定功率的15%，因此，結合內饋繞線型電機時，整個調速系統(tǒng)具有極高的性價比。另外，與采用電壓型逆變器的高壓變頻器相比，由于自來水自動供水系統(tǒng)串級調速沒有功率器件橋臂直通短路的問題，因而整個裝置可靠性極高。
2、自來水自動供水系統(tǒng)串級調速的優(yōu)點：
1） 理論上講，自來水自動供水系統(tǒng)串級調速控制裝置所控制的功率最大為電機額定功率的4/27（14.815%），而變頻器至少要100%的電機額定容量。控制容量的降低，帶來了一系列優(yōu)勢，比如：制造成本，技術困難，體積，可靠性，關鍵技術指標的控制等等。特別是對于大型高壓電機，這些優(yōu)勢更為突出。
2） 在轉子側施加控制，裝置承壓低。
3、串級調速的缺點：
1） 須使用繞線式電機，用于小型電機時不劃算，因此只有一些較大型的供水系統(tǒng)采用。
2） 可控硅做升壓需要附加的強制關斷電路，這種調速方式節(jié)電效果明顯，但強制關斷電路可靠性差、開關頻率低、升壓電感體積與重量大、電動機功率因數(shù)降低，產生高次諧波污染電網(wǎng)等缺點。
自來水自動供水系統(tǒng)應用實例
東湖泵站是一個原水泵站。 由北京市政工程設計研究院設計，于1992年初開工，1993年底完工試運行，1994 年5月正式運行。泵房安裝有6臺臥式離心泵，單機功率為1 600kW，4用2備，其中4臺調速機組選用瑞典ABB產品，配套水泵選用日本KUBOTA產品。2臺作為備用的定速機組為湘潭電機和長沙水泵。泵站設計供水能力為108萬m3/d，現(xiàn)已基本達到滿負荷。
東湖泵站所采用的調速裝置為自來水自動供水系統(tǒng)串級調速系統(tǒng)，是ABB公司90年代新產品。主要控制部分采用微電腦控制，串級調速系統(tǒng)的功能設置、參數(shù)設定、運行數(shù)據(jù)顯示等都集中在一塊操作屏上，具有靈活、直觀的特性。在對電機的監(jiān)測和保護方面，也是采用以微電腦為核心的綜合保護儀，從而取代了大量的中間繼電器，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性。
機組在運行時，微電腦動態(tài)檢測串調系統(tǒng)的各種參數(shù)，在顯示屏上可以以條狀圖或數(shù)值的方式顯示，操作人員可以隨時通過按鍵查看所要的參數(shù)。當設備出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動記錄故障信息，故障內容以文字的形式顯示在操作屏上，隨時可以調用，以協(xié)助診斷故障原因?？刂葡到y(tǒng)中還集成有一個六通道記錄儀，可以任意選擇六個參數(shù)與之相連，在液晶顯示屏上以曲線的形式實時顯示參數(shù)的變化情況。當設備發(fā)生故障時，通道記錄儀可以鎖定故障發(fā)生前和后一段時間內的信息，通過研究參數(shù)變化情況，了解故障發(fā)生的原因。
在整流橋和逆變橋設計方面，ABB采用了可控的整流橋，通過對整流橋和逆變橋可控硅導通時序的控制，確保逆變橋不會通過整流橋短路。消除了整流橋和逆變橋之間可能存在的環(huán)流，在兩橋之間通常所采用的直流平波電抗器也可以省去，這樣可以節(jié)省費用、減少安裝空間及平波電抗器的功率消耗、逆變橋和逆變變壓器的損耗減少，總體效率提高，因為沒有電抗器，整個串級調速系統(tǒng)對供電電源的波動不致于太敏感。
此自來水自動供水系統(tǒng)具有三種工作模式，即CASCADE(串調)、BYPASS(旁路)、SCRO(轉子短路)。三種工作模式既互相聯(lián)系，又有區(qū)別，三者之間可以平滑切換。串調運行時，當轉速達到最低串調速度時，串調系統(tǒng)投入，電機速度可以在最高與最低調速范圍內調節(jié)；旁路運行時，電機帶起動電阻起動，然后起動電阻短接，電機全速運行；轉子短路運行時，介于串調和旁路方式之間，在調速范圍內時，和串調運行方式相同，當給定值大于最大調速范圍時，自動轉入旁路運行，串調系統(tǒng)脫開，當給定值在調速范圍內時，串調系統(tǒng)又自動投入，機組運行在串調方式。
東湖泵站從1994年5月正式投產以后工作方式發(fā)生了很大變化。1994年剛開始運行時，調速機組正在調試，主要是運行定速機組。調速機組調試完成后，主要運行的是調速機組。初期，由于供水量小，供水點的標高低，所以機組工作在低揚程、大流量狀態(tài)，此時機組工作效率低，遠離高效區(qū)。隨著供水量的逐步增加，供水壓力逐步上升，機組工作揚程由不足20m提高到33m左右，機組效率大大提高。在1995年 12月以前，機組工作壓力基本相同，從原始報表中整理了調速和定速工作時的每千噸水耗電量，節(jié)能率40.67%。1996年1月至1998年9月之間，工作方式變化較大。從1998年10月以后，工作狀態(tài)比較穩(wěn)定，選取1998年11月到1999年6月的數(shù)據(jù)，節(jié)能率25.21%.
通過上述數(shù)據(jù)分析可以看出，當供水揚程偏低，機組沒有工作在高效區(qū)時，通過調節(jié)電機速度，可以改變工作點，使機組效率提高，因而節(jié)能效果十分顯著，節(jié)能率高達40%；當揚程提高以后，機組效率明顯提高，機組基本工作在高效區(qū)，這時節(jié)能率仍然達到25%?？梢?，調速機組的節(jié)能效果非常好。
該調速系統(tǒng)在運行過程中也存在一些問題：
1) 系統(tǒng)對雷擊比較敏感，尤其是一些電子部件。
2) 串調系統(tǒng)功率因數(shù)比較低，根據(jù)原始記錄，最低時只有0.65。所以需要加裝就地補償裝置和諧波吸收裝置，但諧波吸收裝置極易發(fā)生故障， 在諧波作用下，其低壓變壓器經(jīng)常發(fā)生燒包現(xiàn)象。
3) 可控硅元件在工作時會發(fā)熱，使設備內溫度很高，這對設備的工作是不利的，因此設備的通風問題十分重要。
自來水自動供水系統(tǒng)變頻調速
1、 簡介：據(jù)統(tǒng)計資料報道，我國現(xiàn)有約5000萬臺水泵和風機在運行，總計年用化量可達約1000億度。泵和風機均屬于葉片式流體機械；由流體機械理論，在相似工況下，泵、風機的流量，揚程和功率分別與其轉速的一次方、二次方和三次方成正比。如轉速下降一半，其功率可下降到原來的1/8。因此，降低電機的轉速能使電機的能耗大幅度地降低。二十世紀八十年代初發(fā)展起來的變頻調速技術，正是順應了生產發(fā)展對節(jié)能的要求。液粘調速、電磁調速對水泵調速，串極調速、變頻調速直接對電機調速，因此，從節(jié)能效果來看，串極調速、變頻調速優(yōu)于液粘調速和電磁調速，而其中又以變頻調速的節(jié)能效果最好。自八十年代以來大量各種品牌國外變頻器進入國內市場，我國也自行研制生產了若干品牌的國產變頻器，變頻器在我國國式經(jīng)濟各部門中獲得了廣泛的應用。對于供水系統(tǒng)來說，用得最多的是變頻調速恒壓變量給水。。在短短的幾年內，變頻調速恒壓供水系統(tǒng)經(jīng)歷了一個逐步完善的發(fā)展過程，早期的單泵調速恒壓系統(tǒng)逐漸為多泵系統(tǒng)所代替。雖然單泵產品系統(tǒng)設計簡易可靠，但單泵電動機深度調速造成水泵、電動機運行效率低，而多泵型產品的投資更為節(jié)省，運行效率也高，被實際證明是最優(yōu)的系統(tǒng)設計，因此很快發(fā)展成為主導產品。
2、 原理：自來水自動供水系統(tǒng)變頻調速技術的基本原理是根據(jù)電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系： n=60f(1-s)/p，（式中n、f、s、p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數(shù)）；通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器, 將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動交流異步電動機實現(xiàn)無級調速。變頻恒壓供水節(jié)能的效果主 要取決于用水流量的變化情況及水泵的合理選配，為了使變頻 恒壓供水具有優(yōu)良的節(jié)能效果，變頻恒壓供水宜采用多泵并聯(lián)的供水模式。由多泵并聯(lián)恒壓變頻供水理論可知多泵并聯(lián)恒 壓供水，只要其中一臺泵是變頻泵，其余全是工頻泵，可以實現(xiàn)恒壓變量供水。在變頻恒壓變量供水當中，變頻泵的流量是變化的，當變頻泵是各并聯(lián)泵中最大，即可保證恒壓供水。多泵并聯(lián)恒壓供水，在設計上可做到在恒壓條件下各工頻泵的效率不變(因工況不變)，并使之處于高效率區(qū)工作，變頻泵的流量是變化的 ，其工作效率隨流量而改變。因為采用多泵并聯(lián)恒壓供水，變頻泵的功率降低，從而可以降低多泵并聯(lián)變頻恒壓供水系統(tǒng)的能耗，改善節(jié)能狀況。多泵并聯(lián)變頻恒壓變量供水的工作模式通常是這樣的：當用水流量小于一臺泵在工頻恒壓條件下的流量，由一臺變頻泵調速恒壓供水；當用水流量增大，變頻泵的轉速自動上升；當變頻泵的轉速上升到工頻轉速，為用水流量進一步增大，由變頻供水控制器控制，自動啟動一臺工頻泵投入，該工頻泵 提供的流量是恒定的(工頻轉速恒壓下的流量)，其余各并聯(lián)工頻泵按相同的原理投入。在多泵并聯(lián)變頻恒壓變量的供水情況下，當用水流量下降 ，變頻調速泵的轉速下降(變頻器供電頻率下降)；當頻率下降到零流量的時候，變頻供水控制器發(fā)出一個指令，自動關閉一臺工頻泵使之超出并聯(lián)供水。為了減少工頻泵自動投入或超出時的沖擊(水力的或電流的沖擊)。在投入時，變頻泵的轉速自動下降，然后慢慢上升以滿足恒壓供水的要求。在超出時，變頻泵的轉速應自動上升，然后慢慢下降以滿足恒壓供水的要求。上述頻率自動上升，下降由供水變頻控制器控制。
3、 節(jié)能計算：
對于風機、泵類設備采用變頻調速后的節(jié)能效果，通常采用以下兩種方式進行計算：
根據(jù)風機、泵類平方轉矩負載關系式：P/P0=（n/n0）3計算，式中為P0額定轉速n0時的功率；P為轉速n時的功率。
以一臺工業(yè)鍋爐使用的22 kW鼓風機為例。運行工況仍以 24小時連續(xù)運行，其中每天11小時運行在90%負荷（頻率按46Hz計算,擋板調節(jié)時電機功耗按98%計算），13小時運行在50%負荷（頻率按20Hz計算，擋板調節(jié)時電機功耗按70%計算）；全年運行時間在300天為計算依據(jù)。
則變頻調速時每年的節(jié)電量為：W1=22×11×[1－（46/50）3]×300=16067 kwh
W2=22×13×[1－（20/50）3]×300=80309 kwh
Wb = W1＋W2=16067＋80309=96376 kwh
擋板開度時的節(jié)電量為：W1=22×(1－98%)×11×300=1452 kwh
W2=22×(1－70%)×11×300=21780 kwh
Wd=W1＋W2=1452＋21780=23232 kwh
相比較節(jié)電量為：W=Wb－Wd=96376－23232=73144 kwh
每度電按0.5元計算，則采用變頻調速每年可節(jié)約電費3.657萬元。
4、 自來水自動供水系統(tǒng)變頻調速的優(yōu)點：
1) 變頻調速是我國節(jié)能的一項重點推廣技術，受到國家政府的普遍重視，《中華人民共和國節(jié)約能源法》第39條就把它列為通用技術加以推廣。
2) 采用變頻調速給水可以大幅度降低節(jié)流能量損耗，具有優(yōu)異的節(jié)能效果，直接和間接經(jīng)濟效益十分明顯。
3) 既能提高了設備效率，又能滿足了生產工藝要求，并且因此而大大減少了設備維護、維修費用，還降低了停產周期。
4) 具有調速范圍寬，控制功能完善等一系列優(yōu)點，已成功的應用在中、小容量和低壓電機上。
5、變頻調速的缺點：
1) 變器調頻亦不是任意可調，其調頻范圍在離心泵的特性曲線最佳工作范圍內亦就是下調頻率10-30%才能顯示出最大節(jié)能效益，如再往下調頻率只會使水泵運轉而不出水的工況，亦就是說到了已超出離心泵的極限工作范圍了。
2) 生活用水在半夜零點以后用水量很小時，水泵在變頻器控制下較長時間低頻(速)運轉對水泵機械工況不利，同時亦耗能，約為額定功率25%.
3) 變頻器自身運轉過程中會產生電源階波、噪聲、電磁感應、靜電感應等特性處理不好會使周圍的電器產生誤動作。
4) 在高壓系統(tǒng)中，變頻調速器的成本很高，體積較大。
5) 其一次性投資巨大，設備投資回收期長，而且對調速范圍要求不大的某些風機、水泵來說，變頻調速的性能也沒有得到充分的利用。
應用實例
加壓站，設計日供水能力１５萬立方米／日。加壓站分為串聯(lián)加壓和從清水池吸水加壓兩種形式，串聯(lián)加壓直接從管網(wǎng)吸水。泵房配置６臺臥式離心泵（２２０ＫＷ／３８０Ｖ３臺２８０ＫＷ／３８０Ｖ３臺電機），根據(jù)工藝流程分為２組，每組３臺泵。每組的１號泵配１套變頻調速裝置，２號、３號電機共用１套軟啟動裝置（１拖２）。
采用變頻設備的目的不外乎兩個，其一是為了節(jié)能降耗，其二是為了工藝的需要或優(yōu)化。經(jīng)過各種性能指標的綜合比較以及方便今后的維護、保養(yǎng)，板橋加壓站采用了ＡＢＢ公司的ＡＣＳ８００變頻器、ＰＳＴＢ４７０／５７０軟啟動器及主要元器件（斷路器、接觸器等）。
?。校樱裕拢矗罚埃担罚败泦悠餍阅芊€(wěn)定可靠，操作直觀，能自行實現(xiàn)對水泵的軟啟軟停，既能實現(xiàn)水泵的無機械應力啟動及有效防止停泵時水錘對水泵的危害，并具有各種保護過載、短路等功能。ＡＣＳ８００變頻器不但節(jié)能效果好，而且具有調速平滑、運行平穩(wěn)等優(yōu)點。它能準確地判斷電機負載的變化，使輸出頻率、電流與電壓關系達到優(yōu)化；同時，在控制電路中運用微處理器的高度智能性，結合軟件設計使變頻控制更加靈活方便；具有豐富的信號采集處理與輸出能力，全面的保護功能與故障處理能力。ＡＣＳ８００交流變頻器不僅只是一臺變頻設備，還相當一臺高性能且使用方便的智能控制設備。
自來水自動供水系統(tǒng)恒壓供水的實現(xiàn)方式：
恒壓供水就是利用變頻器的ＰＩＤ或ＰＩ功能實現(xiàn)的工業(yè)過程的閉環(huán)控制。即將壓力控制點測的壓力信號（４～２０ｍＡ）直接輸入到變頻器中，由變頻器將其與用戶設定的壓力值進行比較，并通過變頻器內置ＰＩＤ運算將結果轉換為頻率調節(jié)信號調整水泵電機的電源頻率，從而實現(xiàn)控制水泵轉速。
恒壓供水系統(tǒng)按壓力控制點位置不同，可分兩類：一是將控制點設在最不利處，直接按最不利點水壓進行工況調節(jié)；二是將控制點設于泵站出口，按該點的水壓進行工況調節(jié)，間接的保證最不利點的水壓穩(wěn)定。
壓力控制點設在水泵出口，按此壓力設定值變頻調節(jié)水泵工況是常用方式。這種設置管理方便，但其技術、經(jīng)濟性能不十分理想，對用戶而言水壓波動范圍大，并在一定程度上導致了靜揚程的浪費，影響了變頻系統(tǒng)先進性能的充分發(fā)揮。將壓力控制點設在最不利處，可以保證用戶水壓的穩(wěn)定，無論供水管路等因素發(fā)生什么變化，最不利點的水壓是恒定的，但這種控壓方式又由于存在電纜過長、信號易干擾等問題而受到限制。
根據(jù)多年的使用經(jīng)驗，將壓力控制點設在了出廠口管網(wǎng)上，盡可能將壓力控制點靠近最不利點。這種方案對給水設備本身無顯著的影響與改變，又可盡可能的發(fā)揮出變頻調速供水的先進性和經(jīng)濟性。
加壓站在正常供水情況下只運行串聯(lián)加壓泵組，以充分利用進水管網(wǎng)中的水頭，只有在供水量不能滿足使用要求時才再開啟另一清水池加壓泵組。變頻泵擁有優(yōu)先使用權，在開機時，首先啟動串聯(lián)加壓泵組１號變頻泵，如不能滿足供水要求，再由軟啟動器啟動２號工頻泵或３號工頻泵。
作為被控制量的水壓設定值一般由人工設定并保持不變，但這種方式并不是最理想方案。我公司通過總結多年使用經(jīng)驗，在板橋加壓站恒壓供水系統(tǒng)中采用了壓力設定值由中心控制室的ＰＬＣ系統(tǒng)根據(jù)管網(wǎng)來水流量、供水流量及用水時段等綜合因素計算出，并通過現(xiàn)場總線自動傳給變頻器，實現(xiàn)了在高峰和低峰供水時段自動變壓變量供水，在夜間不會由于供水量的減少而產生多余的靜揚程，既延長了設備、管線的壽命，又達到了節(jié)能降耗的目的。經(jīng)過３個多月的試運行，實踐證明效果非常明顯。
總 結：
隨著能源的日趨緊張，合理地利用能源和節(jié)約能源是世界范圍普遍關注的課題，也是我國一向十分重視的方針政策。調速節(jié)能技術得到了各供水系統(tǒng)的普遍重視。近年來各種調速技術都有了長足的進步，尤其是隨著電子電力技術的飛速進步，變頻調速得到了極大的完善。過去困擾變頻技術發(fā)展的大功率變頻器的生產與應用，已經(jīng)有了可喜的發(fā)展，變頻器體積變得更小，價格趨于合理、性能更加可靠，因此，變頻調速在自來水自動供水系統(tǒng)已成普及之勢。液粘調速、電磁調速、串級調速因有著良好的性價比，初期投資少的特點也在各自的領域發(fā)揮著積極的作用。對于大、中功率電機的調速，液粘調速、串級調速都是不錯的選擇，串級調速尤其適合較大功率電機的調速。電磁調速比較適合中、小功率電機的調速，例如機械加速澄清池的攪拌機的調速。對于一些中小型供水系統(tǒng)的供水設備的技術改造，液粘調速、電磁調速也是一個不錯的選擇。各供水系統(tǒng)應根據(jù)自身條件和實際情況，合理選用合適的調速方式，結合自動化和智能化控制，并根據(jù)供水需求變化的特點，積極探索最佳的節(jié)能效果。
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