變頻調速裝置在供水泵站中的應用

李雪梅

（珠海水務集團有限公司，廣東 珠海 519000）

隨著城市建設的不斷發展，新的工業區不斷涌現，居民的居住也愈發密集，小區及高層建筑越來越多，因此對供水也提出了更高的要求。但在居民生活用水、工業用水、消防、各類自來水廠、油庫、恒壓補水噴淋等供水系統中，目前都是采用傳統的水塔、高位水箱、氣壓增壓等設備進行供水，這些設備不僅維護量大，投資多，占地面積大，能量浪費嚴重，而且還不能滿足工業消防等高水壓、大流量和自動改變供水流量以適應小區或高層建筑內每天24小時不斷變化的用水量的要求，更達不到高效率和節能的要求，因此，尋求一種有效、可靠、經濟的方法來實現流量的調節，從而使水泵始終高效工作，并能提高泵站的各項技術經濟指標，達到節能的目的顯得尤為重要。

1 供水泵站系統存在的問題

某供水泵站于1999年建成?，F泵房內安裝4臺6kV臥式離心水泵電動機組，單機容量1250kW，工程供水規模310m3/s。正常情況下，系統設計投入3臺機組，1臺備用，由定速電動機驅動。水泵站裝機按最不利條件下、最大時流量和所需相應揚程決定。泵站供水對象用水量不均勻，實際上每天只有很短時間能達到最大流量，大多數時間里，水泵站都處在小流量下工作。流量變化影響管網水頭損失變化，尤其是地勢平坦地區，在幾何揚程很小的情況下，送水泵站出口所需壓力隨流量變化更顯著。為適應流量變化，泵站運行中多采取關小出口閥門控制流量。由此產生以下問題:

1.1 人工調節閥門開度，流量難以精確控制，系統效率低。

1.2 當流量降低、閥位開度減小時，閥門前后壓差增加，阻力增大，能耗增加。

1.3 閥門長期處于40%～70%開度運行，加速閥體自身磨損，導致閥門控制特性變差。

1.4 閥門調節不當增加了管網水錘壓力，降低了工作安全特性。過高的管網壓力威脅設備的密封性能，造成管網、閥門泄漏。

1.5 水泵及閥門系統的使用壽命變短，日常維護量大，維修成本較高。

1.6 吸水池高水位、調節池低水位時，兩臺泵并聯運行，管道出現互激水力振動現象。

為解決以上問題，將3#機改為變頻調速運行，利用高壓變頻器對水泵電動機進行變頻控制，實現供水流量的變負荷調節，達到恒壓供水目標。不僅解決了閥門調節線性度差的問題，還提高了系統運行的可靠性；更重要的是減小了因調節閥門孔口變化造成的壓力損失，減輕了閥門磨損，降低了系統對管路密封性能的破壞，延長了設備使用壽命，減少了維護量，改善了系統的經濟性，節約了能源，為降低廠用電率提供了良好的途徑。

2 變頻調速節能分析

根據泵與風機學的相似定律，水泵系統采用變頻調節時，直接通過改變水泵電機頻率改變電動機轉速，以滿足不同運行工況的需求。此時電機消耗的能量已與電機轉速立方的關系下降，變頻調速節電效果從原理上分析非常顯著。

變頻系統運行時，泵站出口壓力維持不變。給定出口壓力為Hg。當流量Q變動時，因轉速變化導致揚程特性H1～Q上下移動，泵工作點在H=Hg線上作水平移動(A、B、C、D)。通過特性曲線可以清楚地看出水泵消耗軸功率的變化，即采用變頻調速保證壓力恒定與流量需求。原設計單臺運行時，H=Hg=60m，Q=Qg=3960m3/h。結合本項目改造水泵特性實際運行頻率設定在38Hz(保證壓力需求)，根據公式 ，水泵流量和電機轉速成正比，可計算出不同轉速下的流量:Q=Qa=3960m3/h，na=998rpm(50Hz)，N 軸=743kW；Q=Qb=3564m3/h，nb=898rpm (45Hz)，N 軸 =540kW；Q=Qc=3166m3/h，nc=798rpm(40Hz)，N軸=380kW；Q=Qd=3000m3/h，nd=758rpm(38Hz)，N軸=326kW。

3 恒壓供水方案及PID調整

經綜合考慮，水泵高壓變頻系統采用恒壓供水方式，測量元件采用壓力傳感器，裝設在水泵機組出水口處，供水壓力V作為輸出量，Vi為恒定供水壓力設定值，整個系統構成閉環控制方式。高壓變頻器內部內嵌式可編程控制器采集供水壓力值V與給定值Vi進行比較，通過PID調整，將調整結果轉換為頻率調節信號傳送至變頻器，直至達到供水壓力給定值Vi。不管系統供水流量如何變化，供水壓力值V始終維持在給定壓力值Vi附近。

高壓變頻器根據偏差相應調節系統PID參數。當運行參數遠離目標參數時，調節幅度加快，隨著偏差逐步接近，跟蹤幅度逐漸減小，接近相等時，系統將達到一個動態平衡，供水系統將達到恒壓運行穩定狀態。

4 高壓變頻器技術實施方案

4.1 技術參數

配置4臺相同離心水泵(3用1備)，水泵型號28SH-12，額定流量1.1m3/s，額定揚程60m，額定功率743kW；電動機型號YRKK630-6，額定電壓6kV，額定功率1250kW，額定電流145A，轉速998r/min，功率因數0184。高壓變頻器型號HINV-06/1570B，額定容量1570kVA，額定電流150A，額定電壓6kV，輸出頻率0～50Hz，加減速時間 0～3200s，過載能力 125%/min，具過壓保護、欠壓保護、過電流保護等功能。

4.2 技術方案

考慮高壓變頻設備利用率最大化與遠期變頻應用等，將變頻系統方案配置為“一拖二”，一套變頻系統拖動一臺電機變頻運行，另一臺可工頻運行，即一臺水泵由變頻器拖動，另外一臺水泵由6kV高壓電源直接驅動。遠期計劃中，將拖動對象中的負載改為不同母管下的水泵，以適應供水負荷的變化。

變頻系統方案說明:M1變頻運行時，斷開QS3、QS6、QF2，閉合 QS2、QS5、QF1；M2 變頻運行時，斷開 QS2、QS5、QF1，閉合 QS3、QS6、QF2；M1/M2工頻運行時(系統檢修或故障運行狀態)，斷開 QS2、QS3、QS5、QS6，閉合 QS1/QS4。

6/10kV電源經用戶輸入真空開關QF1，通過變頻裝置進線刀閘QS2到高壓變頻調速裝置，變頻裝置輸出經出線刀閘QS5送至電動機M1；經用戶輸入真空開關QF2，通過變頻裝置進線刀閘QS3到高壓變頻調速裝置，變頻裝置輸出經出線刀閘QS6送至電動機M2；還可以經旁路刀閘QS1、QS4直接起動電動機M1、M2。

變頻裝置的刀閘QS1和刀閘QS2互相閉鎖，即QS2和QS1不能同時閉合；刀閘QS3和刀閘QS4互相閉鎖，即QS3和QS4不能同時閉合。旁路柜作用如下:當變頻裝置工程檢修時，可手動操作刀閘，形成明顯斷電點，保證人身安全；當變頻裝置出現故障時，也可手動操作刀閘，隔離變頻裝置，使負載在工頻電源下正常運行，保證生產安全、持續進行。

表1 改造前后泵站運行數據對比

5 經濟效益分析

變頻改造前后泵站運行數據見表1。

注:平均日供水量215 68418，t運行壓力014 MPa，單位電耗=用電量/供水量。

根據泵站供水系統改造報表統計，改造前水的單位電耗為0.34kWh/t，改造后平均為0.306kWh/t，一年可節約電能183萬kWh(年均運行時間250天)。按電價0.5元/kWh計算，年可節約電費近91.5萬元，最多1年半內即可收回全部投資成本。

結語

總之，變頻器是一項集現代化先進電力電子技術和計算機技術于一體的高效節能技術，大大改善了供水生產及現場環境，不僅產生了很好的節能效益，還優化了生產工藝。PLC控制技術、Profibus總線技術和高壓變頻技術的完美結合，使生產現場集成自動化程度更高，運行更穩定，操作更簡單。

[1]杜濤.變頻調速與節能[J].企業家天地(理論版)，2011（01）.

[2]柯水洲，張云，尚耀宗.變頻調速水泵幾個問題的探討[J].給水排水，2001（09）.