變頻器在源水取水泵站中的應用
水工藝專家們，對取水泵站選泵設計時，都是考慮供水保證率達到95～99%的比較低原水水位時泵站比較大出水量的供水規模。大家知道，枯水期間，江河水位比較低，水泵所需的揚程比較高，而冬季的供水量很少；豐水期間，江河水位上升，夏季是高峰供水階段，供水量比較大，但水泵的靜揚程不需要很高。由于某種原因，非正常供水也有可能經常出現：如夏季高峰供水時出現特大干旱，此時江河水位也可能下降到比較低點，而此時供水量又要求比較大；冬季枯水期時也可能需要特大的供水量。這樣，投入巨資升建的取水泵站，將不能發揮作用，按設計規范選定的揚程和流量參數將會變得非常不合理，運行能耗和基建投資浪費很大。

 

一個供水系統的取水泵站，其綜合水泵揚程是由幾何高差和管道摩阻所組成。當江河水域遠離取水泵站時，其供水管道就很長，按這種情況選取幾何高差較小時，管道摩阻數值所占比重都增大，而冬季或夏季后半夜時，配水揚程就變得很低，水泵的工作點就會遠離高效區。見圖1。
水泵的特性曲線有Q－H，Q－N，Q－η，Q－G是管道特性曲線。它們分別表示流量與揚程、流量與軸功率，流量與效率，流量與管道摩阻特性之間的關系。

水量總是變化的。當用水量減小時，如果水泵正常運轉，則系統壓力將增高，當流量減小到75%和50%時，可以看到：系統壓力憋高，而Hf將加大，Q－G曲線平移到Q′－G′，Q″－G″曲線上，它們與Q－H曲線交于A′和A″點，水泵工作效率降低了，大量的水頭勢能損失掉了，管網漏水量也將大大增加。為了使水泵工作效率仍保持在高效區，采用關小出水閘閥角度來調流，由圖1可知，水頭勢能全浪費在閘閥上，閘閥就極容易被破壞。
為了適應流量的變化，可改變水泵運轉合數和組合，此時，水泵的工作點將運轉在低效率上，大量的能源將浪費在管道的水頭損失上。

如果采用變頻調速，從公式（2）、（3）、（4）、（5）可知，當流量減少到75%和50%時，Q－H曲線平移至Q′－H′和Q″－H″，效率曲線Q－η移至Q′－η′和Q″－η″。可見水泵效率（B，B′B″點）基本不變，仍在高效區域內，而水泵所需的軸功率都相應減小了，轉速下降了，水頭損失不存在，但其工作效率卻很高。還有，水泵組合的揚程處處能與管道綜合的系統阻力相適應，能始終保持管網未稍的壓力穩定。所以說，變頻調速是水泵機組節能降耗的比較佳選擇。北京市第九水廠、第八水廠的加壓泵站，天津市引灤工程、深圳東湖取水泵站，南水北調所有的輸水泵站，全國許多大中小型城市的取水輸水泵站，近十幾年均采用了變頻調速裝置。

東北市政設計院設計的引英入連供水工程水源泵站，2001年正式投產，其供水能力為66萬m3/d，共5臺2800kW的臥式離心水泵，其中4臺水泵機組選用Simovert MV電壓源型變頻器，采用三電平的磁場定向失量控制技術，逆變側采用了大功率全控器件高壓IGBT元件，因為IGBT元件的開通和關斷過程都是連續可控的，無需附加其它電路，就能實現dv/dt控制，減小了電機和變壓器上的dv/dt。由于采用了KTY84器件，可在線的得到高精度的轉矩控制，Simovert MV是一種可靠性很高的變頻器，四年來一直運轉良好，其節電效果非常明顯：每年節電452萬度，每度電按0.6元計算，則每年均能省電費536萬元。而取水泵站的全部調速裝置投資為800萬元，不到二年，就收回了基建投資。

3 變頻器在給水處理廠站中的應用
給水處理工藝流程，一般為進水、配水井、絮凝沉淀、過濾、清水池、配水泵房，送入配水管網；還有加藥、加氯、加氨等附助系統，中間還有回流泵房等。

每個城市的供水系統，每個水廠，水量變化是絕對的。春夏秋冬時變化系數和日變化系數都很大。凈配水廠的流量變化系數：

由此可見，凈配水廠比取水廠站的流量變化更大，給水處理廠更要考慮科學的調流降耗的措施。流量的千變萬化，索連著整個處理系統的不斷變化，如絮凝沉淀、各種過濾的處理程序，加氯、加氨加藥的隨機變化，以及回流泵房等，都要采取各種先進監控技術來調節變化。這些先不提了，重點研究一下送水泵房大容量水泵機組的調節問題。

上世紀八十年代中期，我院承擔的日產百萬噸的北京市第九水廠設計中已充分認識了這個問題。從整個工藝流程到變配電設備選型，不是按比較高日比較高時的流量和其對應的壓力為工作點來選水泵和水泵組合；而是在滿足比較大設計水量的基礎上，盡量使調速高效特性曲線接近系統的特性曲線，也就是說，盡量將各種調速泵組合的高效區能套入出現機率比較高的工作段或點上。調速水泵臺數，應在全年內運行工況中開泵出現次數比較多的臺數為需要的臺數，而備用選泵用定速泵。見圖2，九廠配水泵特性曲線圖。

由電算可知，首期2臺2500kW水泵機組運轉出現機率比較大，其次為3臺同時運轉，要考慮的是各種臺數組合的系統曲線的高效區均能包入高日高時流量的基礎上向右下方移動。由圖可知，加大了額定流量，但降低了額定揚程，使多合配水泵綜合的高效中心線介于兩三臺水泵運轉時的系統特性曲線之間，二期后同時運轉需要4臺的2500kW的水泵機組，再考慮日變系數和時變系數的變化率，設計中規定，四臺運轉泵均采用變頻調速裝置，這樣運轉，比較為經濟合理。當一臺調速泵有故障時，可以三調一定運轉，其綜合效率降低一點，而工作揚程還是很高。如果按老套路設計，就會選更多的水泵機組，為了調節水量，就要選各種不同容量不同型號的水泵機組，或者只上一臺調速裝置去試一試。這樣一來，水泵機組很多，泵房面積很大，土建投資更大；同時，管理維修難度加大，水錘現象無法避免，更談不上什么供水系統優化調度了，其電耗水耗還是會居高不下。學究式的單臺調速理論研究已基本定格，由二電平到三電平和四電平，由矢量控制到直接轉矩控制，各種變頻器的電壓等級和型式已經研究得差不多了。而只有面向實際，把主要精力放在研究解決實踐中出現的問題上，幫助各企業建立一個節能降耗的有效手段上，這才是我們理論研究界和產品創新制造界的立足點，給水排水市場巨大，機遇極多，正是變頻調速的巨大舞臺。
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現在北京水源九廠的送水泵房有了四套西門子的變頻調速裝置，第三期又上了二套羅賓康的電壓源型寬頻帶的變頻調速裝置。六臺2500kW的調速水泵機組同時運轉。日供水量為150萬m3/d，占了北京總供水量的2/3之多，其節能降耗的成果非常顯著 。

從上世紀80年代開始，水工業市場真正步入了變頻調速時代。如北京水源九廠、深圳梅林水廠、深圳東湖泵站、北京第八水廠、長春第二水廠，上海自來水公司，重慶、成都、武漢、昆明、石家莊、大慶油田、廈門、福州、東莞、天津、蘇州、沈陽、哈爾濱、西安自來水公司等幾百個大中小型水廠的配水泵房都選用了變頻調速裝置。水泵電機單機容量從200kW到3000kW，采用了大容量的變頻調速裝置約2000臺以上。200kW以下容量選用變頻調速裝置的就更多了。

4 變頻器在污水處理廠中的運用
（1）城市生活污水、發電廠污水除硫工程，各系統工礦企業的污水處理的工藝主流程都是：提升泵房，曝氣池生化處理，污泥消化及污泥脫水，加藥處理。

為了達到排放標準，必須根據污水的流量和各種水質參數來進行監控。重點介紹一下生物曝氣處理的調控問題。污水生化處理，必須適時提供菌膠團生存和繁殖所需氧氣量。氧氣量少了，會降低細菌分析的效果，甚至導致生化處理失敗，氧氣量過多，污水中的細菌會過氧化。在生化處理過程中氧氣量與下列的水質參數有關：生物需氧量BOD、化學需氧量COD、懸浮物SS、水量和溫度等。

曝氣所需的風量與污水中的溶解氧的關系比較為重要。常規的風量恒定控制和曝氣倍率控制都不是好的方法，沒有節能的效果，當然曝氣所需風量與溶解氧的關系也是非線性，根據溶解氧的偏差來調整鼓風機的風流量。檢測溶解氧含量是件非常困難的事情，過去采用PID技術建模預測，效果不好，采用模糊控制等技術，其超調和過度時間都遠遠小于常規的PID控制，其優點是越調整量和振蕩小，過度時間短，穩定性好，抗干擾能力強。根據溶解氧參數就可以實現風量的閉環自動控制。我們知道，鼓風機在工頻下起動，電流沖擊很大，引起電壓波動，而鼓風機風壓一定，只能靠調節出氣閥門和增減工作臺數，來改變風量。這樣，增加管道阻力，能量浪費在閥門上；在羅茨風機上應用變頻器技術，適當調節電機轉速來調節風量，從而調節污水中的氧氣含量。如某污水處理廠，曝氣機容量為132kW×4，每年節電885600kWh。采用變頻器調度，節電效果非常顯著。

（2）污水處理廠提升泵房的潛水機和脫水離心機，都可以根據處理量的多少來采用變頻調速裝置，使電機軟啟或軟停，可以消除水錘的沖擊破壞，防止電機過早的老化，又有顯著的節電效應。

（3）污水處理過程中的加藥量多少，直接影響污水的排放標準。水質參數和污水量變化是絕對的，藥劑量加少了，不能保證出水標準，藥量加大了造成很大的浪費，過多過少都會嚴重破壞生態環境。現在新建的絕大多數污水處理廠站，都設計了自動加藥裝置，保證了排放標準，又大大減小了浪費。自動投加藥系統的核心是安裝變頻器。通過模糊控制等技術，就可在線的實時的改變加藥泵轉速，從而達到自動加藥的目的。新的自動加藥系統，大大簡化了操作程序，又大大減輕了人力強度，降低了勞動成本，提高了工作效率，大大提高了污水處理廠的競爭力。

我國為了確保生態環境不繼續惡化，每年投資300多億元，隨著十一五規劃的實施，每年都要追加環保投資到500億元以上。污水處理的建設力度率比給水處理大得多，給變頻調速和各種先進控制技術的采用，提供了更廣闊的空間。

5 變頻器在城市污水排放泵站中的應用
沿江河兩岸的大中小型城市，如上海、南京、武漢、鎮江、天津等城市，為了保護城池，把建設污水排放工程放在非常重要的位置。舉例。
前幾年，上海市政府，利用世界銀行貸款來建設“上海市污水處理二期工程”這個污水排放泵站，采用了6臺1000kW～1600kW變頻器，電壓6kV。由于無法預測污水排量的實際數值，設計專家無法進行精確設計。但選用了變頻調速設計方案后，選用統一容量的多臺水泵，能園滿的解決了上述問題。
他們通過篩選，選中美國羅賓康公司生產的中壓電壓源型變頻器。這種電壓源型變頻器，功率因數在0.95以上，效率高達97%，諧波電流總失真小于2%，采用低壓的IGBT器件，可靠性高，技術成熟。模塊化設計，維護簡單，收到了很好的節電效果。其缺點是IGBT元器件過多，由5個690V的功率單元串聯，價格偏多，故障率也會偏多。

6 變頻器在城市高層樓群二次供水中的應用
從“十一五”規劃開始，城鎮化建設將會更加迅猛發展，城鎮高層樓群的二次供水問題將顯得更加嚴重。氣壓罐、高位水箱、高位水塔、泵組分時供水等傳統的做法，已經過時了。它們的共同缺點是占地面積大，基建投資高、管網系統壓力不可調，能源消耗巨大，特別是水錘問題無法解決，高層用戶不能保證供水，水質二次污染嚴重，維護工作量和維護費用巨大。不自主創新是沒有出路的。多少年來，許多城市，采用變頻調速技術構建二次恒壓供水系統已取得了巨大成果：大大提高了水質服務的質量。但是，城市樓群在迅猛發展，采用變頻調速技術和各種先進監控技術，組建更節能更科學的二次供水體系，是擺在我們面前的巨大責任。沈陽自來水公司在這個領域做了大量的應用研究工作，取得了很好的研究成果，為城鎮二次供水的節能降耗做出了應有的貢獻。二次供水只采用變頻器不行，還要研究各種先進的監控技術。據某城市實測，一臺154kw的變頻調速器用于水泵調速，每小時節電近40kWh，節電率高達28.5%，在鍋爐引風機上安裝一臺22KW的變頻調速器，節電率可達30%，節電效果十分顯著。

7 結束語
     水工業各系統領域的企業是傳統的基礎產業，是降耗節能比較有用武之地的巨大市場。上面提到的變頻器使用例子，只是一個縮影。變頻器將大大提高水行業各領域的經濟效益和競爭力，在全球化的市場經濟中就能占領一席之地，不安居思危，你的企業就會被別人并購或被歷史所淘汰。
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