變頻調(diào)速是城市高層供水系統(tǒng)的節(jié)能應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yù)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(luò)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(fù)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(yīng)和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，DTC轉(zhuǎn)矩響應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域。矢量控制更適應(yīng)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(yīng)于快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，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(luò)化、電子數(shù)字化時代。供水系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的受多變量參數(shù)影響的大滯后的流程企業(yè)系統(tǒng)?！熬W(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)上的一個節(jié)點，是整個供水系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)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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