變頻調(diào)速技術(shù)在旋流井系統(tǒng)中的節(jié)能應(yīng)用

賈英東

（凌源鋼鐵集團有限責(zé)任公司，遼寧 凌源 122500）

近幾年來，隨著科技的不斷進步，電氣技術(shù)取得了突飛猛進的發(fā)展，淘汰低性能、高能耗設(shè)備已迫在眉睫。因此，企業(yè)為了降低生產(chǎn)成本、提高服務(wù)質(zhì)量，不斷加大設(shè)備自動化改造升級。由于變頻器的使用可以降低電能消耗和操作簡單，以及免維護、控制精度高等優(yōu)勢。因此，企業(yè)對旋流井進行了變頻節(jié)電改造，采用了先進的變頻控制技術(shù)，改變了原系統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備落后的面貌，達(dá)到了節(jié)能的目的。

1 變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

變頻器調(diào)速技術(shù)是一項具有綜合性與先進性的高科技技術(shù)，其中涉及了微電子、電力技術(shù)、自動控制以及通信技術(shù)等多項科技。隨著人們環(huán)境保護意識的提升，變頻調(diào)速技術(shù)以其優(yōu)秀的節(jié)能高效特性被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域中。經(jīng)過對工業(yè)控制生產(chǎn)實踐的研究與分析能夠發(fā)現(xiàn)，其工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常存在拖動設(shè)備負(fù)荷變化大，但是其動力源電機轉(zhuǎn)速卻不變的現(xiàn)象，這就說明，在工業(yè)控制中存在輸出功率變化不隨負(fù)荷的變化而變化的情況，這樣就會導(dǎo)致嚴(yán)重的資源浪費。而變頻調(diào)速技術(shù)就能夠有效解決以上問題，進而實現(xiàn)對風(fēng)機、水泵以及壓縮機等工業(yè)控制設(shè)備的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對其控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能，同時還能夠有效節(jié)約電能資源。

在工業(yè)控制過程中使用變頻調(diào)速技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)品質(zhì)的調(diào)節(jié)，進而減少設(shè)備與電機之間的機械沖擊，減少磨損的情況，延長設(shè)備的使用壽命，同時還能夠降低人力的勞動強度，達(dá)到節(jié)約能源的效果。而變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用特點具體表現(xiàn)在以下幾點：首先，在增加變頻調(diào)節(jié)設(shè)備的時候并不需要對原有的設(shè)備進行改動，具有很好的適應(yīng)性。其次，變頻調(diào)節(jié)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)無極調(diào)速功能，進而滿足傳動機械的要求，變頻器還具有軟啟、軟停的功能，這樣就能夠防止系統(tǒng)受到電流沖擊的不良影響，有效保護設(shè)備系統(tǒng)。最后，變頻器還能夠?qū)崿F(xiàn)方便恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速功能，其調(diào)速的范圍更廣，同時還具有較好的平滑性與機械性能，能夠有效實現(xiàn)機械節(jié)能。

2 變頻調(diào)速技術(shù)在旋流井系統(tǒng)中的節(jié)能應(yīng)用案例

2.1 項目簡介

某開發(fā)公司建立的新區(qū)循環(huán)水泵站承擔(dān)著新區(qū)各單位的生產(chǎn)供水需求，保障了新區(qū)人們的正常工作與生活。而水泵站的主供旋流井系統(tǒng)更是其實現(xiàn)功能的核心系統(tǒng)，其中的進行濁水供應(yīng)的4臺水泵能夠直接影響新區(qū)某廠房的生產(chǎn)工藝。經(jīng)過調(diào)查能夠知道，此供水系統(tǒng)本身是一個密閉型的循環(huán)系統(tǒng)，主要通過一供一回實現(xiàn)用戶的用水需求。今年，公司對生產(chǎn)用水的需求以及節(jié)能降耗情況進行了調(diào)查，決定對旋流井供水系統(tǒng)中的這4臺水泵進行變頻節(jié)電升級改造，在保障供水需求的同時實現(xiàn)節(jié)能降耗。已知其中的濁水循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括了回水系統(tǒng)和供水系統(tǒng)，其中的主要設(shè)備包括供水池、回水池以及水泵等。而回水系統(tǒng)則主要包括了1#和3#泵，供水系統(tǒng)中則是剩下的5#和6#泵。節(jié)能改造之前的系統(tǒng)中只配備了簡單的水位和管網(wǎng)壓力監(jiān)測裝置，不能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)節(jié)控制，一般情況下都是通過值班工作人員進行人為的水泵系統(tǒng)調(diào)節(jié)，這樣的調(diào)節(jié)方法非常麻煩，很難達(dá)到最優(yōu)的供水需求，除此之外還存在耗能較大的問題，系統(tǒng)直接啟動還會對設(shè)備的壽命產(chǎn)生影響。再加上系統(tǒng)的保護裝置功能比較單一，經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備故障問題，導(dǎo)致系統(tǒng)的維修成本增加，不僅影響用戶的生產(chǎn)生活需求，同時還會影響供水公司的經(jīng)濟效益。

2.2 應(yīng)用過程

2.2.1 應(yīng)用原理

整個控制系統(tǒng)的控制中心就在于變頻器，而系統(tǒng)的控制目標(biāo)則分別為設(shè)定壓力和反饋壓力、設(shè)定液位和反饋液位。技術(shù)人員同時應(yīng)該以PID為控制算法構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，并依據(jù)計算機模糊控制理論結(jié)合PID控制原理，對變頻器、電機以及負(fù)載的運行曲線進行自動檢測，形成一個全自動閉環(huán)控制的智能系統(tǒng)。在這次變頻改造的過程中，技術(shù)人員一共使用了兩臺變頻器對循環(huán)泵站中的兩臺回水泵（1#，3#）開展了液位閉環(huán)控制變頻改造，同時對循環(huán)泵站中的兩臺供水泵（5#，6#）開展了恒壓閉環(huán)變頻控制技術(shù)改造，這樣改造之后，整個控制系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的運行，同時還能夠達(dá)到節(jié)能的目的。

2.2.2 工藝要求

在供水控制系統(tǒng)中，其中的5#和6#水泵能夠通過側(cè)管道供水壓力實現(xiàn)自動控制調(diào)節(jié)，同時也保留了手動轉(zhuǎn)換的功能，在特殊的時期能夠?qū)崿F(xiàn)手動調(diào)節(jié)控制，根據(jù)設(shè)定的要求實現(xiàn)某特定壓力下的供水。而1#和3#回水泵則是通過回水池的水位進行控制調(diào)節(jié)，其中的回水池水位信號將起到主導(dǎo)的作用，供水池水位信號則作為副控信號，回水池能夠在設(shè)定水位下恒水位運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)回水泵的變頻調(diào)節(jié)。而當(dāng)供水池出現(xiàn)水位升高的情況時，就會強制回水泵低頻運行，當(dāng)供水池水位降低時則強制回水泵保持高頻運行。而當(dāng)回水池和供水池水位都低于設(shè)定水位的時候，系統(tǒng)就會給出補水的信號，當(dāng)供水池的水位達(dá)到最高設(shè)定水位線的時候，系統(tǒng)也會控制補水泵自動停止補水，同時解決補水泵的警告。

2.2.3 應(yīng)用方案

（1）供水系統(tǒng)。供水系統(tǒng)中包含了壓力變送器、電動機、變頻器等設(shè)備，共同形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。在運行控制的過程中會將壓力傳感器的檢測數(shù)值與設(shè)定值進行比較，如果數(shù)值之間存在偏差，則系統(tǒng)能夠?qū)⑵钚盘栠M行PID運算，之后再變?yōu)檎{(diào)節(jié)變頻器的頻率輸出，使得管網(wǎng)實際壓力接近設(shè)定的目標(biāo)壓力，并使用數(shù)顯控制儀對檢測壓力的波動數(shù)值情況進行展示。必要時技術(shù)人員還需要將設(shè)定值直接進行設(shè)定，同時輸入變頻器，系統(tǒng)就能夠自動更新設(shè)置的參數(shù)值，并按照設(shè)定值的要求實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)控制。

（2）回水系統(tǒng)?；厮到y(tǒng)中包含了超聲波液位儀、電動機、變頻器等設(shè)備，共同形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。技術(shù)人員在改造的時候應(yīng)該將超聲波液位儀進行安裝，使其能夠檢測到供水池與回水池的液位，并將其液位信息與設(shè)定值進行比較，則系統(tǒng)能夠?qū)⑵渲械钠钚盘栠M行PID運算，之后在變?yōu)檎{(diào)節(jié)變頻器的頻率輸出，使得水池的實際水位能夠接近設(shè)定值，人們能夠通過數(shù)顯控制儀觀察水位的波動情況。必要時技術(shù)人員還需要將設(shè)定值直接進行設(shè)定，同時輸入變頻器，系統(tǒng)就能夠自動更新設(shè)置的參數(shù)值，并按照設(shè)定值的要求實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)控制。

2.3 系統(tǒng)特點

2.3.1 技術(shù)特點

該控制系統(tǒng)中使用的是矢量控制方式的變頻技術(shù)，主要調(diào)節(jié)的是電機的轉(zhuǎn)速，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)對水泵流量的控制，實現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。除此之外，在水池水位與管網(wǎng)壓力的實時監(jiān)測工作中還使用了遠(yuǎn)傳壓力表以及超聲波液位儀等電氣自動控制部件，進而實現(xiàn)恒水位與恒水壓的自動調(diào)節(jié)控制。技術(shù)人員在改造的過程中充分使用工業(yè)軟件將變頻調(diào)整、動態(tài)跟蹤以及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等多個模塊進行整合，構(gòu)建了機電一體化智能控制系統(tǒng)。改造后的控制系統(tǒng)具有操作便捷的優(yōu)勢，工作人員能夠?qū)崟r掌握用戶的用水需求，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的故障自檢以及信息提示功能，這樣一來，維修人員就能夠明確系統(tǒng)故障的原因與部位，提高維修的效率。

2.3.2 操作特點

經(jīng)過改造之后的控制系統(tǒng)設(shè)置了手動與自動切換電路的不同控制模式，如果工作人員發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)或者變頻器出現(xiàn)了故障，工作人員就可以切換到手動控制的模式，讓水泵能夠直接運行工作，滿足當(dāng)前人們的用水需求。而在常規(guī)情況下，控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動調(diào)節(jié)輸出的功能，系統(tǒng)將供水泵與回水泵變?yōu)樽冾l器驅(qū)動的工作模式，同時采取一用一備的模式，工作人員能夠通過轉(zhuǎn)換開關(guān)進行自由選擇。其中，系統(tǒng)的供水壓力以及回水池的水位能夠通過控制面板顯示與設(shè)定，供水系統(tǒng)能夠自動進行水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進而保障供水管網(wǎng)壓力的恒定。

2.4 應(yīng)用前后消耗比較

技術(shù)人員為了驗證變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)能改造效果，在控制系統(tǒng)改造前、后分別對供水和回水系統(tǒng)進行了72h不間斷電量測試，期間每24h記錄一次電量，其過程數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 前后消耗比較數(shù)據(jù)分析

通過對表1數(shù)據(jù)的處理與分析能夠知道，如果此控制系統(tǒng)每年的運行時間為330d，而電力上網(wǎng)價為0.627元/kWh，則能夠得到改造前系統(tǒng)在72h內(nèi)累計耗電量為5741.1kWh，而平均每24h的耗電量為5741.1÷3=1913.7kWh，其年用電費用為1913.7x330x0.627=395963.67元。同樣的計算方法能夠得到經(jīng)過改造之后所需的年用電費用為333636.17元。經(jīng)過計算結(jié)果的比較能夠考出，經(jīng)過改造之后的控制系統(tǒng)每年能夠節(jié)約電費約62327.5元，而此次供水系統(tǒng)的節(jié)能改造費用總計115780.0元，也就是說，該系統(tǒng)投入使用兩年就能夠收回改造投資的成本。除此之外，改造之后的系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)自動供水調(diào)節(jié)，變頻技術(shù)更加能夠降低電能的消耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

3 變頻技術(shù)節(jié)能應(yīng)用問題與解決策略

3.1 諧波影響問題

通常情況下，變頻器中含有大量的電子元件與控制電路，因此在實際應(yīng)用的過程中非常容易出現(xiàn)電磁波，大量的電磁波將會對電機以及電機運行的功率控制功能產(chǎn)生一定的影響，進而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)控制失效以及故障的情況。除此之外，變頻器內(nèi)部的逆變器與整流器也會在開關(guān)的瞬間出現(xiàn)高次諧波，進而對控制系統(tǒng)的功能產(chǎn)生影響。而變頻器的輸入具有非線性整流電路的特點，在運行工作的過程中也會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的干擾。尤其是對一些大型的機電控制設(shè)備來說，由于其本身接入的就是高壓電網(wǎng)，而變頻器在高壓電網(wǎng)的影響下會出現(xiàn)更大的電網(wǎng)干擾與諧波影響。在這樣的影響下，機電設(shè)備會出現(xiàn)UPS電源輸出升高的情況，這樣一來，技術(shù)控制人員就需要從外界額外接入散熱裝置對機電設(shè)備進行散熱，如果沒有進行散熱的話，機電設(shè)備就將長時間處于高負(fù)荷的運行狀態(tài)中，進而導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障與損毀的問題。面對以上變頻器諧波影響問題，技術(shù)人員常用的解決方法有兩種，第一種就是在機電設(shè)備上安裝濾波器等電力設(shè)備，這樣就能夠抵抗諧波的影響和干擾。而第二種則是對變頻器的線路進行整改，將其與其他設(shè)備線路進行連接，這樣就能夠避免諧波的產(chǎn)生與影響。

3.2 功率構(gòu)件耐高壓問題

變頻調(diào)節(jié)技術(shù)在實際應(yīng)用的過程中還存在功率構(gòu)件耐高壓的問題，就目前的情況來看，我國工業(yè)生產(chǎn)中常見的電動機電源電壓規(guī)格為6kV，但是大多數(shù)變壓器內(nèi)功率構(gòu)件都存在高壓耐受問題，而變頻器的抗壓能力是比較差的，因此在實際的改造運行過程中就很難實現(xiàn)與電動機的有效結(jié)合，最終導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)不穩(wěn)定的運行狀況。除此之外，變壓器的投入成本較大，從成本效益管理的角度來說并不利于企業(yè)的發(fā)展。因此，變頻器抗壓水平的提升已經(jīng)成為了科學(xué)技術(shù)人員研究的重點。

3.3 變頻器接地的注意事項

變頻調(diào)節(jié)技術(shù)在實際的應(yīng)用過程中還存在接地的問題，當(dāng)技術(shù)人員在進行變頻器接地操作的時候，首先應(yīng)該保障接地導(dǎo)線已經(jīng)深入低下范圍。其次，技術(shù)人員還應(yīng)該確保機電設(shè)備的電源線橫斷面與接地線路的部分相同，如果存在多臺變頻器共同運行的情況，技術(shù)人員更加應(yīng)該關(guān)注變頻器的接地保護工作，使其能夠滿足主電路系統(tǒng)的相關(guān)保護要求，同時還應(yīng)該滿足系統(tǒng)回路的相關(guān)要求。綜上所述，變頻調(diào)節(jié)技術(shù)在旋流井系統(tǒng)中的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)供水系統(tǒng)的節(jié)能管理效果，通過自動控制調(diào)節(jié)的方法降低電能的消耗，在保障用戶正常用水需求的基礎(chǔ)上提高了系統(tǒng)設(shè)備的自動化與智能化水平，同時還能夠減少系統(tǒng)維修的費用，實現(xiàn)供水系統(tǒng)的經(jīng)濟運行。