供水系統的變頻調速改造
發布時間：2019-08-02 10:17:25來源：
供水系統的變頻調速改造
1 引言
企業自備水廠是我國在一定歷史條件下的產物，由于受建設時期技術經濟發展水平局限，水廠設備設施選擇落后，控制保護系統不完善，系統運行經濟性很差。雖然國家近年來相繼采取了一系列政策措施，關、停、并、轉了部分企業自備水廠。但是對于大中型國有企業，尤其是國家重點骨干企業的自備水廠，在社會保障體系并不十分完善的今天，它還將在相當長的時期內運轉。因此，企業如何減少自備水廠系統故障、降低運行成本高，是節能降耗提高經濟效益的當務之急。現代變頻調速技術的廣泛應用，為進行供水系統節能改造提供了保障。
2 供水加壓泵站基本狀況及特點
2.1供水加壓泵站基本狀況
本文所介紹的改造供水加壓泵站建成至今已運行20年左右，其配置有3臺水泵（每臺泵額定流量200m³/h），電機容量75kW，采用自耦降壓啟動控制，一回路400V電源供電，供水揚程80m，管網出水壓力0.75MPa，日供水量8000m³。從20世紀90年代后期開始，系統市場發生管網破裂，設備損壞等各種突發故障，造成供水中斷，嚴重影響企業正常生產、生活用水。
2.2加壓泵站供水系統特點
（1） 主要滿足企業生產工作用水需求，同時兼顧職工家屬生活用水；
（2） 由于生產生活用水時限差異，供水系統負荷變化較大，用戶用多少水？什么時候用水？哪些用戶用水等具有很大的不確定性。
（3） 供求負荷的不確定性非線性變化，對設備管網產生較大沖擊，形成各種故障隱患，供水可靠性差；
（4） 采用啟停水泵以及節流閥調整發式，控制調節水壓和流量，以滿足用戶的用水要求，無負荷自動調節系統，運行電能消耗成本較大，系統經濟性差。
3 變頻調速恒壓供水改造
3.1變頻調速技術在供水系統中的應用
供水系統中使用的泵類設備屬于平方轉矩負載，其轉速n與流量Q、壓力H以及軸功率P有如下關系：Q∝n,H∝n²,P∝n³,即：流量與轉速成正比，壓力與轉速平方成正比，軸功率與轉速立方成正比。從上述分析可知，通過改變電動機轉速即可方便地改變水的流量，保證水壓恒定，達到恒壓供水目的；通過改變電動機轉速，在降低水流量的同時，可以有效降低系統的電能損耗。
根據電機理論，電動機轉速n=60f(1-s)/P，從式中可以看出，改變電動機轉速有三種方式：
（1） 改變電動機的極對數P；
（2） 改變電動機的轉差率s；
（3） 改變供電電源頻率f。
對于大容量、高速運轉的泵類電動機，采用前面兩種方式進行調速控制，技術及制造工藝上存在一定困難。因此，對水泵電動機調速的比較佳選擇就是采用第三種方式：改變供電電源頻率f。隨著現代制造技術的發展、新材料新工藝的不斷應用，變頻器性能日趨穩定、功能更加完善，變頻調速技術正逐漸廣泛應用于各類電動機調式控制系統中，尤其是泵類及風機類電動機。
3.2使用變頻器調速運行的主要優點
（1） 實現了電動機軟啟動，自由停車，避免水泵頻繁啟停
電動機均通過變頻器從0～50Hz作緩慢加速啟動，經測量，變頻運行時起動電流?5A，而工頻直接起動電流?300A，因此，變頻運行完全消除了因直接起動造成的對電動機和電網的沖擊，降低了電動機故障率，從而避免了水泵因突然高速啟動所帶來的對管網的沖擊，減少管網爆管故障。
（2） 實現恒母管水壓控制
均勻平滑調節電機轉速，可實現水壓自動控制，增強了系統的穩定性和可靠性。操作人員只須改變母管壓力設定值，不再調整節流閥，運行自動化程度大為提高，運行和維護工作量降低。
（3） 管道壓力降低
原來節流調節時，流量變小時，管帶壓力反而升高，容易爆管，不利于管道安全運行，而采用變頻調節后，流量變小時，管道壓力亦變低。
（4） 消除了泵的喘震現象，使泵處于比較佳運行工況狀態
（5） 提高了功率因數
從電網側看，工頻運行時功率因數為0.85左右，變頻運行時功率因數達到0.95，
因此，改善了電機電源質量，使電機運行功率與實際負荷相匹配，即使同樣是滿負荷運行，變頻運行時，輸入電流明顯比工頻運行時小，這也有利于節能和設備安全運行。
3.3改造方案
（1） 方案簡介
站3臺水泵實際設備配置情況，增設75KW變頻裝置及循環孔子裝置各一套，分別接至原有各控制柜的輸出端，使每臺水泵電機都能單獨進入自動恒壓供水閉環控制系統。保留原有降壓啟動電控柜，作為備用，在自動系統出現故障時，可轉換到手動控制，使備用電控柜投入運行，確保正常供水。
采用大循環方式，由3臺水泵、變頻器柜、PLC控制器、循環控制柜、啟動柜以及壓力變送器組成一個閉環系統。壓力變送器將管網壓力變化值轉換成電信號，送入變頻器，變頻器根據設定值自動調節電機轉速，改造供水流量，使管網出水壓力始終保持恒定，實現自動調節恒壓供水。
（2） 工作原理
運行由變頻柜與循環轉換柜、水泵、水流、壓力傳感裝置構成的閉環自控系統，首先由變頻柜軟啟動1#水泵，變頻器頻率從零升至50Hz，水泵達到額定轉速。此時供水壓力若達不到設定的壓力，系統自動將1#水泵切換到工頻恒速運行，變頻器再軟啟動2#水泵，進行調速供水，如還達不到設定壓力，系統又自動將2#水泵切換到工頻恒速運行，變頻器又再軟啟動3#水泵，直到達到設定壓力，變頻器始終停留在某一水泵上調速運行。如運行中變頻泵頻率降至設定的比較低頻率，供水水壓大于設定壓力，系統將自動停止比較先啟動的水泵，如仍大，再停第二次啟動的水泵。在夜間運行時，當比較后一臺變頻泵頻率降到設定的比較低頻率，此時供水壓力還大于設定的壓力時，變頻裝置監視管網壓力，若低于設定壓力的0.05Mpa，變頻裝置自動喚醒，啟動水泵補水。該系統就如此循環啟動、調速運行、停止，不斷進行調整，達到恒壓供水的目的。
（3） 主要功能特性
系統設有手動、自動；3臺泵循環或2臺泵循環；指定泵運行以及按原有方式運行等多種工作控制模式，選擇方便，保證了 整個加壓泵站供水系統在任何情況下均能正常供水。
該系統具有自動循環起停和水泵定期自動交換運行功能，使各水泵運行時間均衡，避免了某些水泵長期運行磨損嚴重，而某些水泵又因長期停用（銹死）到用時又不能運行的現象；
所有水泵均可實現軟啟動，對電網、管網及機械無沖擊，從而極大地減少了設備的維修，延長了設備的使用壽命；
系統具備完善的故障自診斷、報警和故障保護功能；
設有清水池水位控制，可連續監視液位變化，并有上下限液位報警，避免水池缺水，造成水泵抽空事故和水滿溢出；
系統具有標準的通訊接口，可直接與微機聯網，實現微機自動化管理。
3.4改造經濟性分析
（1） 基本情況
根據加壓泵站改造前后3年運行的有關數據統計，以下述基本參數為基礎進行分析：
2臺水泵全年每天24h運行，總運行時間365×24＝8760h；供水總流量Qn=2×200=400m³/h；水泵的標稱揚程80（比較大揚程90m）；用戶揚程75m；水泵的標稱效率76％；電機的額定功率P=2×75=150KW；電機的標稱效率84％；變頻器的標稱效率95％。電費綜合價格0.60元/KW?h。
（2） 運行節能計算
原系統每年運行所耗電量為：866497KW?h
變頻調速恒壓供水改造后每年運行所耗電量為：694399KW?h
年節電量：172098KW?h
節約電費：103259元
改造工程總費用：15.6萬元
投資收回期：1.5年（從實際運行費用收支情況，2年即收回了全部投資）
（3） 運行曲線
在同一流量下，改造后功率明顯減小，所耗電量也明顯減小，節約了電能。
4 結束語
加壓泵站從2000年進行變頻調速技術改造運行至今，取得了明顯的經濟效益和社會效益；系統故障停水基本消失，設備停運檢修時間大大延長，供水可靠性有了極大提高，保證了企業生產生活用水的需要。但在改造及運行過程中，有許多經驗值得總結：
（1） 改造所用變頻器、PLC控制器、變送器及接觸器等主要元氣件必須選用著名企業的優質產品；
（2） 必須對工作環境進行同步改造，以確保變頻系統正常運行；
（3） 緊持定期對變頻系統進行維護保養；
（4） 定期進行系統參數校核；
（5） 盡量采用成熟的新技術，以提高系統可靠性
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