變頻調(diào)速技術(shù)在水廠的實(shí)際應(yīng)用

1 概述

中國石化上海石油化工股份有限公司是一個(gè)大型石油化工企業(yè)，也是一個(gè)用水大戶。為滿足前方設(shè)備大量的用水需求，其下屬水廠配備的水泵功率都在幾百kW以上，這些水泵的裝機(jī)容量是按最大負(fù)荷和所需揚(yáng)程來設(shè)計(jì)的。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，不同時(shí)段出水流量變化迥異，大多數(shù)時(shí)間水泵處于不飽和流量狀態(tài)，所以需頻繁地調(diào)整水泵的出水流量來維持出廠水壓力，以達(dá)到供、用水的平衡。

傳統(tǒng)方式下，主要是通過調(diào)整出水閥門的開啟度來調(diào)整水泵出水流量，以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓的目的，從而造成大量電能的損耗。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的飛速發(fā)展，及變頻器在大型機(jī)泵上的成功應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)的良好節(jié)能效果，變頻器在機(jī)泵上的應(yīng)用逐步得到推廣。

2 調(diào)速節(jié)能原理

采用閥門節(jié)流法、變頻調(diào)速法調(diào)整水泵的出水流量，水泵工作特性會(huì)有所不同，其工作性能曲線如圖1 所示。

在圖1 中，R1，R2分別表示不同阻力下的管阻特性曲線，N1，N2分別表示不同轉(zhuǎn)速下的揚(yáng)程特性曲線，管阻特性曲線與揚(yáng)程特性曲線的交點(diǎn)就是水泵的工作點(diǎn)。假設(shè)目前水泵在A 點(diǎn)工作，要求出水流量從q圓減小到q1，采用閥門節(jié)流法就需調(diào)小閥門開度，此時(shí)管路阻力增大，而水泵轉(zhuǎn)速維持不變，管阻特性曲線由R1轉(zhuǎn)變?yōu)镽2，揚(yáng)程從h0 上升到h1，水泵的工作點(diǎn)從A 點(diǎn)移到了B 點(diǎn);采用變頻調(diào)速法就需調(diào)低水泵轉(zhuǎn)速，此時(shí)管路阻力不變，揚(yáng)程特性曲線由N1 轉(zhuǎn)變?yōu)镹2，揚(yáng)程從h0 下降到h2，水泵的工作點(diǎn)從A 點(diǎn)移到了C 點(diǎn)。

很明顯，同樣是將出水流量從q圓減小到q1，采用閥門節(jié)流法要比變頻調(diào)速法多消耗h1原h(huán)2 壓差的能量，而這部分能量是無效的，因此采用變頻器調(diào)速法實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果要好于閥門節(jié)流法。

另外，按照流體機(jī)械相似定律，水泵的流量q、揚(yáng)程(壓力)h、軸功率P與轉(zhuǎn)速n 遵循比例定律，即q1/q2=n1/n2，h1/h2=(n1/n2)2，P1/P2=(n1/n2)3。由比例定律可知，當(dāng)出水需求流量下降時(shí)，采用變頻調(diào)速法只要相應(yīng)地調(diào)低水泵的轉(zhuǎn)速，就可成倍地減少水泵的軸功率需求，采用閥門節(jié)流法水泵的軸功率需求始終維持不變，同樣證明了采用變頻器調(diào)速法實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果要好于閥門節(jié)流法。

3 應(yīng)用實(shí)例

2008 年我廠在低硅水車間802# 機(jī)泵上選用了安川公司CIMR-MV1SDC630 高壓變頻器，以此為例，分析變頻調(diào)速的實(shí)際運(yùn)行效果。802#機(jī)泵基本參數(shù)如表1所列。

為了便于分析802# 變頻機(jī)泵的節(jié)電效果，抽取低硅水車間802# 變頻機(jī)泵改造前、后水泵在不同出水量狀態(tài)下的電單耗對比如表2 所列。

根據(jù)表2所列數(shù)據(jù)計(jì)算，低硅水802#變頻機(jī)泵改造前平均電單耗為255.97 kW·h/kt，改造后平均電單耗為175.91 kW·h/kt。因此，802#變頻機(jī)泵改造后與改造前相比，每1 kt 出水可節(jié)電80.06 kW·h，相對節(jié)電率為31.3%。

802#機(jī)泵的年出水量約為15 Mt。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，每1 kt 出水可節(jié)電80.06 kW·h，則802#機(jī)泵全年節(jié)約電量為1 200.9 MW·h，以每kW·h電費(fèi)0.58 元計(jì)算，則每年可節(jié)約電費(fèi)69.65 萬元。

當(dāng)初將802# 變頻泵改造投資約160 萬元，設(shè)備一次性投資在2年多內(nèi)全部收回。

4 采用變頻調(diào)速的其他特點(diǎn)

4.1 提高功率因數(shù)節(jié)能

安川變頻器采用阻容濾波，相當(dāng)于在電機(jī)與電網(wǎng)之間加入了一級(jí)容性隔離。變頻器中的濾波電容與電動(dòng)機(jī)進(jìn)行無功能量交換，因此變頻器實(shí)際輸入電流減小，從而減小了電網(wǎng)與變頻器之間的線損和供電變壓器的銅耗，同時(shí)減少了無功電流上串電網(wǎng)，使整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)大為提高。

802# 變頻調(diào)速機(jī)泵運(yùn)行時(shí)功數(shù)因數(shù)始終保持在0.97 以上，而非變頻機(jī)泵運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)通常在0.8~0.85，因而變頻調(diào)速同時(shí)實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償功率因數(shù)帶來的節(jié)能。

4.2 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒壓供水

閥門節(jié)流法是通過人工改變出水閥開啟度的大小來適應(yīng)管網(wǎng)用水量的變化，因而水量變化越大，操作人員調(diào)節(jié)閥門也就越頻繁;而采用變頻調(diào)速就可利用水泵出口壓力傳感器將信號(hào)傳輸至變頻器的PID控制宏，構(gòu)成變頻器的閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水泵轉(zhuǎn)數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使流量隨用水量的多少而自動(dòng)平衡。

4.3 延長設(shè)備使用壽命

1)延長了管道設(shè)備的使用壽命變頻調(diào)速可保持水壓基本恒定，不會(huì)出現(xiàn)水壓過高的現(xiàn)象，可將管道的壓力一直維持在合理的范圍內(nèi)，使管接件所承受的壓力減小，延長了更換周期，減少了維修的投入。

2)延長電機(jī)和泵的使用壽命對于電機(jī)和水泵來說，由于起動(dòng)過程平緩，可運(yùn)行在最佳工作狀態(tài)，不再產(chǎn)生“悶泵”現(xiàn)象，運(yùn)行損耗小，發(fā)熱大為降低，延長使用壽命。

4.4 實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)

異步電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)時(shí)間短，起動(dòng)電流很大，會(huì)產(chǎn)生刺耳的噪音;采用變頻調(diào)速就可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，起動(dòng)平穩(wěn)，噪音低，減少對電網(wǎng)的電流沖擊及設(shè)備的機(jī)械沖擊。

5 結(jié)語

水泵在不飽和流量狀態(tài)下，采用變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)電率在31.3%以上，并可有效提高功率因數(shù)，提升水廠供水自動(dòng)化水平，延長設(shè)備使用壽命，降低維修費(fèi)用，減少電網(wǎng)沖擊等。雖然對水泵進(jìn)行變頻技術(shù)改造價(jià)格相對較高，但在大型水泵上應(yīng)用，2~3年就可回收設(shè)備投資，具有很好的推廣使用價(jià)值。

作者簡介：

干希兵，現(xiàn)在中國石化上海石油化工股份有限公司水廠工作。