淺析調(diào)速方式在自來水自動供水系統(tǒng)中的應用
淺析調(diào)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(diào)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(diào)速，可控硅串級調(diào)速是指繞線式電動機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)差，達到調(diào)速的目的。電動機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子電壓經(jīng)過三相橋式整流，整成直流（Ud），再在直流側(cè)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(chǎn)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(diào)速與節(jié)能目的。自來水自動供水系統(tǒng)串級調(diào)速電機特別是內(nèi)反饋串級調(diào)速電機及其調(diào)速控制裝置是一種具有優(yōu)良的性能價格比的調(diào)速節(jié)能產(chǎn)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(lǐng)域的大中型水泵、風機的調(diào)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(zhuǎn)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(diào)速裝置最大逆變功率只有電機額定功率的15%，因此，結(jié)合內(nèi)饋繞線型電機時，整個調(diào)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(diào)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(diào)速的優(yōu)點：
1） 理論上講，自來水自動供水系統(tǒng)串級調(diào)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(shù)困難，體積，可靠性，關(guān)鍵技術(shù)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(zhuǎn)子側(cè)施加控制，裝置承壓低。
3、串級調(diào)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(guān)斷電路，這種調(diào)速方式節(jié)電效果明顯，但強制關(guān)斷電路可靠性差、開關(guān)頻率低、升壓電感體積與重量大、電動機功率因數(shù)降低，產(chǎn)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(diào)速機組選用瑞典ABB產(chǎn)品，配套水泵選用日本KUBOTA產(chǎn)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(diào)速裝置為自來水自動供水系統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)，是ABB公司90年代新產(chǎn)品。主要控制部分采用微電腦控制，串級調(diào)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(diào)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(nèi)容以文字的形式顯示在操作屏上，隨時可以調(diào)用，以協(xié)助診斷故障原因。控制系統(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(nèi)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(diào)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(diào))、BYPASS(旁路)、SCRO(轉(zhuǎn)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(diào)運行時，當轉(zhuǎn)速達到最低串調(diào)速度時，串調(diào)系統(tǒng)投入，電機速度可以在最高與最低調(diào)速范圍內(nèi)調(diào)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(zhuǎn)子短路運行時，介于串調(diào)和旁路方式之間，在調(diào)速范圍內(nèi)時，和串調(diào)運行方式相同，當給定值大于最大調(diào)速范圍時，自動轉(zhuǎn)入旁路運行，串調(diào)系統(tǒng)脫開，當給定值在調(diào)速范圍內(nèi)時，串調(diào)系統(tǒng)又自動投入，機組運行在串調(diào)方式。
東湖泵站從1994年5月正式投產(chǎn)以后工作方式發(fā)生了很大變化。1994年剛開始運行時，調(diào)速機組正在調(diào)試，主要是運行定速機組。調(diào)速機組調(diào)試完成后，主要運行的是調(diào)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(diào)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(diào)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%。可見，調(diào)速機組的節(jié)能效果非常好。
該調(diào)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(diào)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(nèi)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(diào)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(zhuǎn)速的一次方、二次方和三次方成正比。如轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)速技術(shù)，正是順應了生產(chǎn)發(fā)展對節(jié)能的要求。液粘調(diào)速、電磁調(diào)速對水泵調(diào)速，串極調(diào)速、變頻調(diào)速直接對電機調(diào)速，因此，從節(jié)能效果來看，串極調(diào)速、變頻調(diào)速優(yōu)于液粘調(diào)速和電磁調(diào)速，而其中又以變頻調(diào)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(nèi)市場，我國也自行研制生產(chǎn)了若干品牌的國產(chǎn)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(diào)速恒壓變量給水。。在短短的幾年內(nèi)，變頻調(diào)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(diào)速恒壓系統(tǒng)逐漸為多泵系統(tǒng)所代替。雖然單泵產(chǎn)品系統(tǒng)設計簡易可靠，但單泵電動機深度調(diào)速造成水泵、電動機運行效率低，而多泵型產(chǎn)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(chǎn)品。
2、 原理：自來水自動供水系統(tǒng)變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： n=60f(1-s)/p，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)動交流異步電動機實現(xiàn)無級調(diào)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(diào)速恒壓供水；當用水流量增大，變頻泵的轉(zhuǎn)速自動上升；當變頻泵的轉(zhuǎn)速上升到工頻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)速泵的轉(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)矩負載關(guān)系式：P/P0=（n/n0）3計算，式中為P0額定轉(zhuǎn)速n0時的功率；P為轉(zhuǎn)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(diào)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(diào)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(diào)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(diào)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(diào)速的優(yōu)點：
1) 變頻調(diào)速是我國節(jié)能的一項重點推廣技術(shù)，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(shù)加以推廣。
2) 采用變頻調(diào)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(chǎn)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(chǎn)周期。
4) 具有調(diào)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(diào)速的缺點：
1) 變器調(diào)頻亦不是任意可調(diào)，其調(diào)頻范圍在離心泵的特性曲線最佳工作范圍內(nèi)亦就是下調(diào)頻率10-30%才能顯示出最大節(jié)能效益，如再往下調(diào)頻率只會使水泵運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)過程中會產(chǎn)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(chǎn)生誤動作。
4) 在高壓系統(tǒng)中，變頻調(diào)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(diào)速范圍要求不大的某些風機、水泵來說，變頻調(diào)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(diào)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）。
ＰＳＴＢ４７０／５７０軟啟動器性能穩(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(diào)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(guān)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(jié)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(nèi)置ＰＩＤ運算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號調(diào)整水泵電機的電源頻率，從而實現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)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(diào)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(diào)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(diào)節(jié)水泵工況是常用方式。這種設置管理方便，但其技術(shù)、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(diào)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(quán)，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(jié)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(chǎn)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(jié)：
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(guān)注的課題，也是我國一向十分重視的方針政策。調(diào)速節(jié)能技術(shù)得到了各供水系統(tǒng)的普遍重視。近年來各種調(diào)速技術(shù)都有了長足的進步，尤其是隨著電子電力技術(shù)的飛速進步，變頻調(diào)速得到了極大的完善。過去困擾變頻技術(shù)發(fā)展的大功率變頻器的生產(chǎn)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(diào)速在自來水自動供水系統(tǒng)已成普及之勢。液粘調(diào)速、電磁調(diào)速、串級調(diào)速因有著良好的性價比，初期投資少的特點也在各自的領(lǐng)域發(fā)揮著積極的作用。對于大、中功率電機的調(diào)速，液粘調(diào)速、串級調(diào)速都是不錯的選擇，串級調(diào)速尤其適合較大功率電機的調(diào)速。電磁調(diào)速比較適合中、小功率電機的調(diào)速，例如機械加速澄清池的攪拌機的調(diào)速。對于一些中小型供水系統(tǒng)的供水設備的技術(shù)改造，液粘調(diào)速、電磁調(diào)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(diào)速方式，結(jié)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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