变频调速装置在供水泵站中的应用

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摘要：变频调速技术是一种以改变电机频率和电压来达到电机调速目的的技术， 是一种高效率、高性能的调速手段，它是基于电力电子、微电子、信息技术而发展的产物， 文章针对高压变频调速技术在供水泵站中的应用进行了分析。

关键词：供水泵站；变频调速；技术应用

中图分类号：F29 文献标识码：A

随着城市建设的不断发展，新的工业区不断涌现，居民的居住也愈发密集，小区及高层建筑越来越多，因此对供水也提出了更高的要求。但在居民生活用水、工业用水、消防、各类自来水厂、油库、恒压补水喷淋等供水系统中，目前都是采用传统的水塔、高位水箱、气压增压等设备进行供水，这些设备不仅维护量大，投资多，占地面积大，能量浪费严重，而且还不能满足工业消防等高水压、大流量和自动改变供水流量以适应小区或高层建筑内每天24小时不断变化的用水量的要求，更达不到高效率和节能的要求， 因此，寻求一种有效、可靠、经济的方法来实现流量的调节， 从而使水泵始终高效工作， 并能提高泵站的各项技术经济指标，达到节能的目的显得尤为重要。

1供水泵站系统存在的问题

某供水泵站于1999年建成。现泵房内安装4台6kV卧式离心水泵电动机组，单机容量1250kW，工程供水规模310m3/s。正常情况下，系统设计投入3台机组，1台备用，由定速电动机驱动。水泵站装机按最不利条件下、最大时流量和所需相应扬程决定。泵站供水对象用水量不均匀，实际上每天只有很短时间能达到最大流量，大多数时间里，水泵站都处在小流量下工作。流量变化影响管网水头损失变化，尤其是地势平坦地区，在几何扬程很小的情况下，送水泵站出口所需压力随流量变化更显著。为适应流量变化，泵站运行中多采取关小出口阀门控制流量。由此产生以下问题：

1.1人工调节阀门开度，流量难以精确控制，系统效率低。

1.2当流量降低、阀位开度减小时，阀门前后压差增加，阻力增大，能耗增加。

1.3阀门长期处于40%～70%开度运行，加速阀体自身磨损，导致阀门控制特性变差。

1.4阀门调节不当增加了管网水锤压力，降低了工作安全特性。过高的管网压力威胁设备的密封性能，造成管网、阀门泄漏。

1.5水泵及阀门系统的使用寿命变短，日常维护量大，维修成本较高。

1.6吸水池高水位、调节池低水位时，两台泵并联运行，管道出现互激水力振动现象。

为解决以上问题，将3#机改为变频调速运行，利用高压变频器对水泵电动机进行变频控制，实现供水流量的变负荷调节，达到恒压供水目标。不仅解决了阀门调节线性度差的问题，还提高了系统运行的可靠性；更重要的是减小了因调节阀门孔口变化造成的压力损失，减轻了阀门磨损，降低了系统对管路密封性能的破坏，延长了设备使用寿命，减少了维护量，改善了系统的经济性，节约了能源，为降低厂用电率提供了良好的途径。

2变频调速节能分析

根据泵与风机学的相似定律，水泵系统采用变频调节时，直接通过改变水泵电机频率改变电动机转速，以满足不同运行工况的需求。此时电机消耗的能量已与电机转速立方的关系下降，变频调速节电效果从原理上分析非常显著。

变频系统运行时，泵站出口压力维持不变。给定出口压力为Hg。当流量Q变动时，因转速变化导致扬程特性H1～Q上下移动，泵工作点在H=Hg线上作水平移动（A、B、C、D）。通过特性曲线可以清楚地看出水泵消耗轴功率的变化，即采用变频调速保证压力恒定与流量需求。原设计单台运行时，H=Hg=60m，Q=Qg=3960m3/h。结合本项目改造水泵特性实际运行频率设定在38Hz（保证压力需求），根据公式 ，水泵流量和电机转速成正比，可计算出不同转速下的流量：Q=Qa=3960m3/h，na=998rpm（50Hz），N轴=743kW；Q=Qb=3564m3/h，nb=898rpm（45Hz），N轴=540kW；Q=Qc=3166m3/h，nc=798rpm（40Hz），N轴=380kW；Q=Qd=3000m3/h，nd=758rpm（38Hz），N轴=326kW。

3恒压供水方案及PID调整

经综合考虑，水泵高压变频系统采用恒压供水方式，测量元件采用压力传感器，装设在水泵机组出水口处，供水压力V作为输出量，Vi为恒定供水压力设定值，整个系统构成闭环控制方式。高压变频器内部内嵌式可编程控制器采集供水压力值V与给定值Vi进行比较，通过PID调整，将调整结果转换为频率调节信号传送至变频器，直至达到供水压力给定值Vi。不管系统供水流量如何变化，供水压力值V始终维持在给定压力值Vi附近。

高压变频器根据偏差相应调节系统PID参数。当运行参数远离目标参数时，调节幅度加快，随着偏差逐步接近，跟踪幅度逐渐减小，接近相等时，系统将达到一个动态平衡，供水系统将达到恒压运行稳定状态。

4高压变频器技术实施方案

4.1技术参数

配置4台相同离心水泵（3用1备），水泵型号28SH—12，额定流量1.1m3/s，额定扬程60m，额定功率743kW；电动机型号YRKK630—6，额定电压6kV，额定功率1250kW，额定电流145A，转速998r/min，功率因数0184。高压变频器型号HINV—06/1570B，额定容量1570kVA，额定电流150A，额定电压6kV，输出频率0～50Hz，加减速时间0～3200s，过载能力125%/min，具过压保护、欠压保护、过电流保护等功能。

4.2技术方案

考虑高压变频设备利用率最大化与远期变频应用等，将变频系统方案配置为“一拖二”，一套变频系统拖动一台电机变频运行，另一台可工频运行，即一台水泵由变频器拖动，另外一台水泵由6kV高压电源直接驱动。远期计划中，将拖动对象中的负载改为不同母管下的水泵，以适应供水负荷的变化。

变频系统方案说明：M1变频运行时，断开QS3、QS6、QF2，闭合QS2、QS5、QF1；M2变频运行时，断开QS2、QS5、QF1，闭合QS3、QS6、QF2；M1/M2工频运行时（系统检修或故障运行状态），断开QS2、QS3、QS5、QS6，闭合QS1/QS4。

6/10kV电源经用户输入真空开关QF1，通过变频装置进线刀闸QS2到高压变频调速装置，变频装置输出经出线刀闸QS5送至电动机M1；经用户输入真空开关QF2，通过变频装置进线刀闸QS3到高压变频调速装置，变频装置输出经出线刀闸QS6送至电动机M2；还可以经旁路刀闸QS1、QS4直接起动电动机M1、M2。

变频装置的刀闸QS1和刀闸QS2互相闭锁，即QS2和QS1不能同时闭合；刀闸QS3和刀闸QS4互相闭锁，即QS3和QS4不能同时闭合。

旁路柜作用如下：当变频装置工程检修时，可手动操作刀闸，形成明显断电点，保证人身安全；当变频装置出现故障时，也可手动操作刀闸，隔离变频装置，使负载在工频电源下正常运行，保证生产安全、持续进行。

5经济效益分析

变频改造前后泵站运行数据见表1。

注： 平均日供水量215 68418，t 运行压力014 MPa，单位电耗= 用电量/供水量。

根据泵站供水系统改造报表统计，改造前水的单位电耗为0.34kWh/t，改造后平均为0.306kWh/t，一年可节约电能183万kWh（年均运行时间250天）。按电价0.5元/kWh计算，年可节约电费近91.5万元，最多1年半内即可收回全部投资成本。

结语

总之，变频器是一项集现代化先进电力电子技术和计算机技术于一体的高效节能技术，大大改善了供水生产及现场环境，不仅产生了很好的节能效益，还优化了生产工艺。PLC控制技术、Profibus总线技术和高压变频技术的完美结合，使生产现场集成自动化程度更高，运行更稳定，操作更简单。

参考文献

[1]杜涛.变频调速与节能[J].企业家天地（理论版），2011（01）.

[2]柯水洲，张云，尚耀宗.变频调速水泵几个问题的探讨[J].给水排水，2001（09）.