變頻調(diào)速在福建恒源自來水廠的設(shè)計(jì)應(yīng)用
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PowerSmart系列高壓大功率變頻器，為電壓源型高-高變頻器。它采用多脈沖整流、多重化PWM、單元串聯(lián)疊加的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有模塊化設(shè)計(jì)、積木式組合、N+1備份、模塊故障自動切除不間斷運(yùn)行、飛車啟動、反轉(zhuǎn)啟動、工頻與變頻不停電切換、單元自動旁路、整機(jī)自動與手動旁路、高壓掉電再恢復(fù)、低壓掉電可連續(xù)運(yùn)行等功能，同時具有高功率因數(shù)、低諧波污染的特點(diǎn)，輸入和輸出電流波形均接近正弦波。作為“第四代中高壓變頻器”采用雙片DSP（數(shù)字系統(tǒng)處理器）作為控制系統(tǒng)的核心器件，解決了中、高壓變頻器采用工控機(jī)作為控制核心的所有缺點(diǎn)。本文通過高壓變頻器在現(xiàn)場大功率電動機(jī)負(fù)載上的應(yīng)用，分析其工作原理，介紹了調(diào)速性能，對電壓源型高-高方式的高壓變頻器做了比較全面的介紹。
【關(guān)鍵詞】轉(zhuǎn)速、頻率、節(jié)能、電動機(jī)
一． 基本概況
福建恒源自來水股份有限公司坐落在福建省三明市，擔(dān)負(fù)著整個三明市民用水的供給以及福建三鋼，三化兩廠的工業(yè)用水，水廠共有水泵6臺，包括有三臺6KW的大功率水泵以及三臺3KW的小功率水泵，在引進(jìn)高壓變頻器以前，水廠采用的是通過調(diào)節(jié)閥門開度的方式來控制水的流量，通過這種方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，主要存在以下幾個問題：
1、采用給水泵定速運(yùn)行，閥門調(diào)整節(jié)流損失大、出口壓力高、管損嚴(yán)重、系統(tǒng)效率低，造成能源的浪費(fèi)。
2、當(dāng)流量降低閥位開度減小時，調(diào)整閥前后壓差增加工作安全特性變壞，壓力損失嚴(yán)重，造成能耗增加。
3、長期的40～70％閥門開度，加速閥體自身磨損，導(dǎo)致閥門控制特性變差。
4、管網(wǎng)壓力過高威脅系統(tǒng)設(shè)備密封性能，嚴(yán)重時導(dǎo)致閥門泄漏，不能關(guān)嚴(yán)等情況發(fā)生。
5、設(shè)備使用壽命短、日常維護(hù)量大，維修成本高，造成各種資源的極大浪費(fèi)。
解決上述問題的重要手段之一是采用變頻調(diào)速控制技術(shù)。利用高壓變頻器對給水泵電機(jī)進(jìn)行變頻控制，實(shí)現(xiàn)給水流量的變負(fù)荷調(diào)節(jié)。這樣，不僅解決了控制閥調(diào)節(jié)線性度差、純滯延大等難以控制的缺點(diǎn)，而且提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；更重要的是減小了因調(diào)節(jié)閥門孔口變化造成的壓流損失，減輕了控制閥的磨損，降低了系統(tǒng)對管路密封性能的破壞，延長設(shè)備的使用壽命，維護(hù)量減小，改善了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約能源。
二．泵類負(fù)載變頻調(diào)速基本原理
借助改變泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，這是一種先進(jìn)的電子控制方法。轉(zhuǎn)速控制的實(shí)質(zhì)是通過改變所輸送液體的能量來改變流量。因?yàn)橹皇寝D(zhuǎn)速變化，閥門的開度不變，如圖2所示，管阻特性曲線R1－Q也就維持不變。額定轉(zhuǎn)速時的揚(yáng)程特性曲線Ha－Q與管阻特性曲線相交于點(diǎn)A，流量為Qa，出口揚(yáng)程為Ha。
當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時，揚(yáng)程特性曲線變?yōu)镠c－Q，它與管阻特性曲線R1－Q的交點(diǎn)將下移到C，流變?yōu)闉镼c 。此時，假設(shè)將流量Qc控制為閥門控制方式下的流量Qb，則泵的出口壓頭將降低到Hc。因此，與閥門控制方式相比壓頭降低了：ΔHc=Ha-Hc。據(jù)此可節(jié)約能量為：ΔPc=ΔHc×Qb。與閥門控制方式相比，其節(jié)約的能量為：P＝ΔPb+ΔPc＝（ΔHb－ΔHc）×Qb
將這兩種方法相比較可見，在流量相同的情況下，轉(zhuǎn)速控制避免了閥門控制下因壓頭的升高和管阻增大所帶來的能量損失。在流量減小時，轉(zhuǎn)速控制使壓頭反而大幅度降低，所以它只需要一個比閥門控制小得多的，得以充分利用的功率損耗。泵的效率特性曲線η－Q，如圖3所示。隨著轉(zhuǎn)速的降低，泵的高效率區(qū)段將向左方移動。這說明，轉(zhuǎn)速控制方式在低速小流量時，仍可使泵機(jī)高效率運(yùn)行。
三． 經(jīng)濟(jì)型系統(tǒng)調(diào)度方案
自來水廠引進(jìn)的九洲高壓變頻器是“一拖三”型變頻器，既變頻器配套三個旁路柜，分別與三臺電機(jī)相連，通過旁路柜的刀閘對三臺水泵進(jìn)行工頻轉(zhuǎn)換，當(dāng)一臺水泵處于變頻狀態(tài)時，其余兩臺水泵處于工頻運(yùn)行狀態(tài)。由于水廠此前已經(jīng)進(jìn)行了節(jié)能運(yùn)做，對其中的兩臺水泵（一臺國內(nèi)生產(chǎn)，另一臺為德國生產(chǎn)）已經(jīng)進(jìn)行了切削，水輪葉的面積大大縮小，因此使水泵的額定功率變小，節(jié)能空間也不如切削之前的效果好，經(jīng)過我方變頻調(diào)試人員同用戶的共同協(xié)商，決定以其中一臺未經(jīng)過切削的#10水泵為主水泵，另外兩臺#9，#13水泵為備用泵。
三化，三鋼為自來水廠的兩個供水大戶。其中兩廠的情況如下：
1．自來水廠的主要供水單位有兩家，而兩家共用一個進(jìn)水母管。
2．三化，三鋼的母管揚(yáng)程大約差4米左右，三鋼為揚(yáng)程低者。
3．三鋼由于過去需水量比較大，而且由于特殊工況要求，水量補(bǔ)充不允許中斷，因此廠內(nèi)在近年建立了一個比較大的蓄水池，因次所需水量較小，而三化所需水量較大，三化所需水量大約為三鋼的1-2倍。
4．由于過去通過調(diào)節(jié)閥門控制水量大小，現(xiàn)在兩廠閥門皆沒處在全開狀態(tài)。
5．由于兩廠水量調(diào)節(jié)需通過用戶觀察員，用戶操作員，用戶調(diào)度，水廠調(diào)度，水廠操作員幾個環(huán)節(jié)，信息流通不是很快捷，閥門調(diào)節(jié)比較頻繁。
6．三化總共有九個進(jìn)水閥門，其中6個供清水用，3個供鋼廠工業(yè)用水，但清水用水比較少，而閥門卻多，工業(yè)用水需求量大，而閥門卻少，這就造成蓄水池大量溢水，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。
高壓變頻器是一種新型的高科技節(jié)能產(chǎn)品，它的節(jié)能原理是取代了原有的控制閥門調(diào)節(jié)變?yōu)殡妱訖C(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，根據(jù)上訴情況，我們提出了以下經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行方案：
1．在水廠操作車間安裝三化，三鋼水流量表，這樣可以時時觀測到供水量，方便的對水量進(jìn)行調(diào)整。
2．經(jīng)常了解三鋼，三化進(jìn)水閥門的開度情況，確保三化閥門為全開狀態(tài)。
3． 通過進(jìn)10天的調(diào)試過程，我們發(fā)現(xiàn)三化水量在2700噸，三鋼水量為2000噸即為長期供水水量的最佳值。
4． 如果三化要加水，調(diào)度要了解三化需加水量，例如300噸，在通知水廠操作車間以流量表顯示為基礎(chǔ)，調(diào)節(jié)變頻器頻率，使三化水量加大到300噸為止。
5． 加減水量后，要了解三化水量情況，滿足后即調(diào)回正常供水情況。
6． 長期供水中，三鋼閥門有開大或開小的情況，如果開大閥門即三鋼水量增大了，此時調(diào)節(jié)變頻器頻率滿足三化供水要求，如關(guān)小閥門即三鋼水量減小，此時三化水量明顯增大，要即時調(diào)節(jié)變頻器頻率，使其達(dá)正常供水狀態(tài)，避免三化調(diào)節(jié)閥門。三鋼供水穩(wěn)定后要提示他把閥門關(guān)到正常情況，調(diào)節(jié)變頻機(jī)組恢復(fù)到正常的供水環(huán)境。
7． 變頻機(jī)組#10可提供0-6000噸水量，若需水量大于6000噸，此時需加一工頻運(yùn)行小機(jī)組，可再次通過對變頻器的調(diào)節(jié)控制水量，盡量不要使變頻器長期運(yùn)行在50HZ工頻環(huán)境下。
四．變頻改造后的效益計(jì)算
我們從水泵調(diào)速節(jié)能原理得知，當(dāng)水泵拖動電機(jī)工頻運(yùn)行時，出力為額定值，轉(zhuǎn)速及功耗為額定值，當(dāng)采用變頻調(diào)速時，可以按需要升降電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變水泵的性能曲線，使水泵的額定參數(shù)滿足工藝要求，根據(jù)水泵的相似定律，變速前后流量、揚(yáng)程、功率與轉(zhuǎn)速之間關(guān)系為：
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=（n1/n2）2
P1/P2=（n1/n2）3
Q1 、H1、P1—水泵在n1轉(zhuǎn)速時的流量、揚(yáng)程、功率；
Q2、H2、P2—水泵在n2轉(zhuǎn)速時相似工況條件下的流量、揚(yáng)程、功率
假如轉(zhuǎn)速降低一半，即：n2/n1=1/2，則P2/P1=1/8，可見降低轉(zhuǎn)速能大大降低軸功率達(dá)到節(jié)能的目的。從上圖中可以看出：當(dāng)轉(zhuǎn)速由n1降為n2時，水泵的額定工作參數(shù)Q、H、P都降低了。但從效率曲線η-Q看，Q2點(diǎn)的效率值與Q1點(diǎn)的效率值基本是一樣的。也就是說當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時，額定工作參數(shù)相應(yīng)降低，但效率不會降低，有時甚至?xí)岣?。因此在滿足操作要求的前提下，水泵仍能在同樣甚至更高的效率下工作。
為了使測量的數(shù)據(jù)更加真實(shí)，我們在高壓變頻穩(wěn)定運(yùn)行之后又進(jìn)行了72小時的節(jié)能測試，我方調(diào)試人員在72小時之內(nèi)時時記錄數(shù)據(jù)，包括電機(jī)電流，出水量，電機(jī)溫度，母管壓力，頻率，水位深度等，以便更準(zhǔn)確的進(jìn)行節(jié)能計(jì)算。如下表所示：
母管壓力均在0.212-0.228MPa之間，水位深度為8.88-8.93米，頻率保持在44HZ-46H，按場年均單耗132kwh計(jì)算，三天的平均節(jié)電率為15 %，在廠方已經(jīng)采取了多次節(jié)能措施的前提下，能達(dá)到這樣的節(jié)能效果，客戶十分滿意。
五． 使用變頻器的附加效果
使用變頻器不但可以節(jié)能降耗，它的的許多附加效果也是值得稱道的。
1、減少電機(jī)啟動時的電流沖擊
電機(jī)直接啟動時的最大啟動電流為額定電流的7倍；星角啟動為4.5倍；電機(jī)軟啟動器也要達(dá)到2.5倍。觀察變頻器起動的負(fù)荷曲線，可以發(fā)現(xiàn)它啟動時基本沒有沖擊，電流從零開始，僅是隨著轉(zhuǎn)速增加而上升，不管怎樣都不會超過額定電流。因此凝泵變頻運(yùn)行解決了電機(jī)啟動時的大電流沖擊問題，消除了大啟動電流對電機(jī)、傳動系統(tǒng)和主機(jī)的沖擊應(yīng)力，大大降低日常的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。
2、延長設(shè)備壽命
使用變頻器可使電機(jī)轉(zhuǎn)速變化沿凝泵的加減速特性曲線變化，沒有應(yīng)力負(fù)載作用于軸承上，延長了軸承的壽命。同時有關(guān)數(shù)據(jù)說明，機(jī)械壽命與轉(zhuǎn)速的倒數(shù)成正比，降低凝泵轉(zhuǎn)速可成倍地提高凝泵壽命，凝泵使用費(fèi)用自然就降低了。
3、降低噪音
我廠水泵改用變頻器后，降低水泵轉(zhuǎn)速運(yùn)行的同時，噪音大幅度地降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低50%時，噪音可減少十幾個絕對分貝。同時消除了停車和啟動時的打滑和尖嘯聲，克服了由于調(diào)門線性度不好，調(diào)節(jié)品質(zhì)差，引起管道錘擊和共振，造成給水系統(tǒng)上水管道強(qiáng)烈震動的缺陷，在水泵變頻運(yùn)行后，噪音、振動都大為減少，變化相當(dāng)可觀。
總之，水泵推廣使用變頻調(diào)速器，可以大幅度降低廠用電率，減少發(fā)電成本，提高競價(jià)上網(wǎng)的競爭能力。
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