恒壓變頻供水機(jī)組小區(qū)生活供水節(jié)能的最佳選擇
恒壓變頻供水機(jī)組小區(qū)生活供水節(jié)能的最佳選擇
由于全國各省市城鎮(zhèn)化建設(shè)的飛速發(fā)展,，近年來出現(xiàn)嚴(yán)重缺電缺水現(xiàn)象。許多城市出現(xiàn)限電限水現(xiàn)象,。國家出巨資進(jìn)行大規(guī)模的給水排水工程建設(shè),。據(jù)統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè), 全國城市缺水2000×104m3/d,，排放污水量約1×108m3/d，我國每年新建擴(kuò)建的水廠近600×104m3/d,，污水處理廠的處理能力將達(dá)到700×104m3/d左右,。建好管好給水廠和污水處理廠是緩解水工業(yè)與現(xiàn)代化城鎮(zhèn)建設(shè)的矛盾，是關(guān)系到國計(jì)民生的重要課題,。在給排水工程的建設(shè)和管理運(yùn)行中,，設(shè)備運(yùn)行管理費(fèi)用很高，其中水廠的電耗約占50％,。綜觀給水排水行業(yè)絕大多數(shù)是老企業(yè),，設(shè)備陳舊，供電設(shè)備老化,，自動(dòng)化水平低下,，藥耗嚴(yán)重，先進(jìn)控制技術(shù)極少采用,。近幾年,，新上的給排水廠自動(dòng)化水平高些，也采用了一些先進(jìn)控制技術(shù),，也組建了一些優(yōu)化調(diào)速的綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng),。但大多數(shù)新建的FCS、DCS,、PLC監(jiān)控系統(tǒng)也不能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控,，造成許多資源的消費(fèi),。有許多廠站存在先天性的缺陷,，變電站位置不合理，配電電纜太多太長(zhǎng),，變壓器等設(shè)備選擇不合理,，特別是恒壓變頻供水機(jī)組選擇不合理，工藝流程總體布局不合理,，使給水排水系統(tǒng)的電耗居高不下,。給排水廠運(yùn)行管理，應(yīng)從工藝流程及其配套用電設(shè)備的變配電系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)系統(tǒng),、加藥系統(tǒng),、恒壓變頻供水機(jī)組系統(tǒng)的三方向進(jìn)行重點(diǎn)研究，要制定每噸水的綜合制造單位電耗和藥耗標(biāo)準(zhǔn),，即從每噸水的投資到運(yùn)行的最佳的代價(jià)做文章,。在這里，單就恒壓變頻供水機(jī)組的最佳節(jié)能技術(shù)在實(shí)際中的選擇進(jìn)行分析和研究,。
2 城市供水系統(tǒng)特點(diǎn)
2.1 城市供水系統(tǒng)工況特點(diǎn)
一個(gè)城市的供水系統(tǒng)特點(diǎn),，就是多水源,、多泵站、多水廠,、多管網(wǎng),、變化大。一年之中,，隨季節(jié)而變的日變化,，一日之內(nèi)又隨時(shí)間而變化的時(shí)變化。進(jìn)水水質(zhì)和流量也是非線性的在變化,。設(shè)計(jì)中一般均以高日高時(shí)為設(shè)計(jì)點(diǎn),，表面上看已滿足了供水需求，但實(shí)際上大部分系統(tǒng)均不能滿足實(shí)際的水變化,。一個(gè)供水系統(tǒng),，一個(gè)水廠的綜合水泵揚(yáng)程是由幾何高差和管道摩阻變化所組成。幾何高差是不變的,，而管道摩阻是隨流量的平方而變化,。當(dāng)輸配水管道距離長(zhǎng)而選的幾何高差較小時(shí)，管道小時(shí),，管道摩阻在揚(yáng)程中所占比重就增大;而在后半夜或所需供水量極小時(shí),，配水揚(yáng)程就變得很低，將使水泵的工作點(diǎn)遠(yuǎn)離高效區(qū),。
2.2 供水系統(tǒng)變化系數(shù)
(1) 日變化系數(shù)Kd最高日用水量與年平均日用水量之比叫高日系數(shù)Kd1,，而低日系數(shù)為當(dāng)日最低用水量與年平均用水量之比Kd2。一般Kd1在1.2至1.5之間,，為了宏觀定性分析,，取Kd1=1.4, Kd2=0.6。
(2) 時(shí)變化系數(shù)Kh高時(shí)系數(shù)Kh1:最高小時(shí)用水量與日平均小時(shí)用水量之比; Kh1在1.3至1.6之間,，一般取1.4;低時(shí)系數(shù)Kh2≈0.5左右,。
2.3 總的綜合揚(yáng)程流量變化
(1) 取水廠站流量變化:一般，取水廠站選泵的揚(yáng)程按每年最大流量,，每年最低水位來考慮,，其流量變化系數(shù)為:
KQ=Kd1/Kd2=1.4/0.6=2.33水泵工作揚(yáng)程：H＝Hh＋Hf＝Hh＋CQ2 （1）
Hh為幾何高差, 一般不變化;Hf=CQ2為管道摩阻水頭。摩阻水頭變化Hfmax/ Hfmin= Kd12/ Kd22=5.4
實(shí)際上每年最低水位機(jī)率很小, 每年絕大多數(shù)時(shí)間均高于這個(gè)低水位, 所選泵的揚(yáng)程長(zhǎng)期不能運(yùn)轉(zhuǎn)在高效率區(qū)域內(nèi),。
(2) 凈配水廠站流量變化用水的高峰季節(jié),，在分壓供水系統(tǒng)中要增加供水管網(wǎng)的壓力，就要調(diào)節(jié)管網(wǎng)的供水量,，按最大供水量,、最高管網(wǎng)壓力來選擇配水泵及臺(tái)數(shù)。
配水系統(tǒng)流量變化是:可Kj= Kd1* Kk1/ Kd2 Kk2=1.4*1.4/0.6*0.5=6.53
由此可見,，流量變化是很大的,，配水泵站比取水廠站的流量變化更大,，這說明水工業(yè)領(lǐng)域必須考慮調(diào)流的主要原因。也說明水泵機(jī)組優(yōu)化調(diào)速節(jié)能的潛力巨大,。
3 恒壓變頻供水機(jī)組變頻調(diào)速是各種調(diào)流方式的最佳選擇
水泵的特性曲線有Q-H,，Q-P，Q-η,，Q-G管道特性曲線,。它們分別表示流量與揚(yáng)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(guān)系。
(1) 用水量總是變化的, 當(dāng)用水量減小時(shí), 如果水泵正常運(yùn)行,，則系統(tǒng)壓力將增高,。當(dāng)流量減小到75％和50％時(shí)，它們的變化是:用水量減小時(shí), 系統(tǒng)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曲線交點(diǎn)為A′和A″點(diǎn),，由曲線可知，水泵的工作效率降低了,，大量水頭損失掉了,，漏水量也將大大增加。
(2) 為了使水泵工作效率仍保持在高效區(qū), 采用關(guān)小出水閘閥的角度來調(diào)流, 此時(shí),，水頭損失全浪費(fèi)在閘閥上,。
(3) 為了適應(yīng)流量的變化, 可改變水泵運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)和組合,此時(shí)，水泵的工作點(diǎn)將運(yùn)轉(zhuǎn)在低效率上,，大量的能源將浪費(fèi)在管道的水頭損失上,。
(4) 采用恒壓變頻供水機(jī)組變頻調(diào)速來適應(yīng)流量變化
(1) Q/Q′/Q″＝n/n′/n″
(2) H/H′/H″＝n2/n′2/n″2
(3) P/P′/P″＝n3/n′3/n″3
(4) n＝60f(1-s)/p
(5)其中:n為轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速;
S為電機(jī)轉(zhuǎn)差率;
f為定子頻率;
P為電機(jī)極對(duì)數(shù);
Q為綜合流量;
H為水泵揚(yáng)程;
P為電機(jī)功率,。
如果選用變頻調(diào)速,，就是通過改變定子頻率，來改變異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速,，同時(shí),，又要滿足電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的要求，達(dá)到水泵運(yùn)轉(zhuǎn)在高效率區(qū)域內(nèi),。
速度改變了,，水泵的流量、揚(yáng)程,、功率都隨著改變,。優(yōu)化了整個(gè)工藝流程運(yùn)轉(zhuǎn)條件,，消除了水錘破壞的事件。
從公式(2)(3)(4)(5)可知,，當(dāng)流量減小到75％和50％時(shí),，Q-H曲線變成Q′-H′、Q″-H″曲線,，其效率曲線由Q－η變成Q′-η′和Q″-η″, 水泵效率(B,、B′、B″)基本不變,，還在高效區(qū)域內(nèi),，而水泵所需的軸功率也減小了。轉(zhuǎn)速下降了,，水頭損失不存在,，其工作效率卻很高。另方面,，水泵組合的揚(yáng)程處處能與管道綜合的系統(tǒng)阻力相適應(yīng),，始終保持管網(wǎng)末稍的壓力穩(wěn)定。當(dāng)采用液力耦合器或電磁滑差離合器來調(diào)速,，改變流量,，均有一定的節(jié)能效果，但轉(zhuǎn)差功率損失了,，低速時(shí)損耗更大,，效率更低;當(dāng)采用串級(jí)調(diào)速技術(shù)時(shí)，無論采用外串還是內(nèi)饋,，需增設(shè)起動(dòng)電阻和電容補(bǔ)償,，功率因數(shù)低，低速時(shí)更低,。
4 實(shí)例分析
上世紀(jì)80年代,，我院承擔(dān)的百萬噸大規(guī)模的北京市第九水廠設(shè)計(jì)中，從工藝流程到變配電設(shè)備選型,，不是按最高日最高時(shí)的流量和其對(duì)應(yīng)的壓力為工作點(diǎn)來選不同容量水泵和水泵組合;而是在滿足最大設(shè)計(jì)水量的基礎(chǔ)上,，盡量使調(diào)速高效特性曲線接近系統(tǒng)的特性曲線，也就是說,，盡量將各種調(diào)速泵組合的高效區(qū)能套入出現(xiàn)機(jī)率最高的工作段或點(diǎn)上,。調(diào)速泵臺(tái)數(shù)，應(yīng)在全年內(nèi)運(yùn)行工況中開泵出現(xiàn)次數(shù)最多的臺(tái)數(shù)為需要的臺(tái)數(shù),，而備用泵選用定速泵,。
先看取水泵站。取水泵站的各種臺(tái)數(shù)組合的高效中心線,，均在系統(tǒng)特性曲線的左側(cè),。在設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)時(shí),，應(yīng)將高效中心線包入最大流量點(diǎn)的曲線段，曲線向右下方移動(dòng),，流量加大而揚(yáng)程降低,，使其與4臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)特性曲線重合或靠近，水泵綜合運(yùn)轉(zhuǎn)效率就會(huì)更高,。從系統(tǒng)分析看,，水泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)4臺(tái)為最經(jīng)濟(jì)，考慮分期建設(shè),，第一期選用兩臺(tái)容量最大的水泵調(diào)速將更經(jīng)濟(jì)合理,。
再看配水廠站配置。從電算可知,，首期2臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)機(jī)率最高,，其次為3臺(tái)，同時(shí)各種臺(tái)數(shù)組合的高效區(qū)均能包入高日高時(shí)流量的基礎(chǔ)上向右下方移動(dòng),，見圖2,。加大額定流量降低額定揚(yáng)程，使配水泵綜合的高效中心線介于兩,、三臺(tái)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)系統(tǒng)特性曲線之間,，二期后同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)需要4臺(tái)，再考慮日變時(shí)變率,，運(yùn)轉(zhuǎn)泵均為調(diào)速泵比較合理,。當(dāng)一臺(tái)調(diào)速泵有故障時(shí)，三調(diào)一定運(yùn)轉(zhuǎn),，其綜合效率降低一點(diǎn),，而工作揚(yáng)程還是較高。所以,，備用泵選用定速泵比較經(jīng)濟(jì)合理,。只上一臺(tái)機(jī)組，既增加了投資,，又無實(shí)際意義,。
只從理論上研究單臺(tái)恒壓變頻供水機(jī)組調(diào)速并不能解決任何實(shí)踐需要，這種學(xué)究式的理論研究是沒有任何意義的事情,。
5 供水系統(tǒng)選用變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)注意的問題
5.1 供水系統(tǒng)可選的幾種變頻調(diào)速技術(shù)
從上世紀(jì)80年代開始,，我國水工業(yè)真正步入了變頻調(diào)速時(shí)代。如北京水源九廠,、深圳梅林水廠、深圳中西部源水系統(tǒng)各泵站,、北方南水北調(diào)各大輸水泵站,、上海原水公司和自來水公司,、上海排水管理公司、廣州,、福州,、廈門、東莞,、天津,、重慶、石家莊,、昆明,、成都、潮州,、大慶油田等自來水公司的上百個(gè)大中型水廠和泵站都選用了變頻調(diào)速裝置,。水泵電機(jī)容量從315kW到2500kW，采用變頻調(diào)速裝置的臺(tái)數(shù)1000臺(tái)以上,。200kW以下容量選用變頻調(diào)速裝置就更多了,。
由于電流型變頻器是全控橋整流，諧波非常豐富,，對(duì)電網(wǎng)公害大,，抑制諧波的措施比較復(fù)雜，在價(jià)格和可靠性上失去了優(yōu)勢(shì),，在水工業(yè)領(lǐng)域中已很少采用了,。220kW及以上恒壓變頻供水機(jī)組可選擇的變頻調(diào)速裝置有以下5種:
(1) “中－低－中”變頻器
優(yōu)點(diǎn)是變頻器價(jià)格低，缺點(diǎn)是增加了占地面積和成本,，增加了兩級(jí)變壓器損耗,，可靠性大大降低了，在低速時(shí),，變壓器效率更低,，功率因數(shù)也低。
(2) 低壓大功率變頻器國產(chǎn)低壓變頻器
已做到1000kW, 國外已做到2000kW,。建議盡量選用1.7kV,、2.3kV、3.3kV多相特殊電動(dòng)機(jī),。
(3) 中－低壓大功率變頻器
其優(yōu)點(diǎn)是中壓輸電損耗小,，低壓變頻效率高，輸入變壓器一側(cè)采用角(△)接法,，可吸收變頻系統(tǒng)中的高次諧波,。
(4) 中－中壓變頻器l中壓IGBT PWM變頻器。
額定功率因數(shù)≥0.96，系統(tǒng)器件由60支減為24支, 電路簡(jiǎn)化了, 可靠性提高了,。l中壓IGCT PWM變頻器,。額定效率＞98％，額定功率因數(shù)＞0.95,。
(5) 多重化多級(jí)串聯(lián)中壓變頻器
美國ROBICON公司,、日本安川、富士,、東芝公司等公司,，都先后推出了多重化多級(jí)串聯(lián)中壓變頻調(diào)速裝置。采用多電平結(jié)構(gòu)和多級(jí)低壓小功率IGBT PWM變頻單元串聯(lián)輸出中壓變頻交流電,，實(shí)現(xiàn)了大功率集成,。額定效率≥96％，額定功率因數(shù)≥0.95,。但必須指出,，同一容量采用中壓設(shè)備不但價(jià)格貴得多，且可靠性也下降了,。
5.2 關(guān)于水泵電機(jī)采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻調(diào)速控制方案的思考
矢量控制系統(tǒng)(VC)和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)(DTC),，都是高性能的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，都是轉(zhuǎn)矩控制,，都是基于異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)的,。矢量控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是:通過坐標(biāo)變換，按轉(zhuǎn)子磁鏈定向,，電機(jī)模型需要電機(jī)參數(shù)多,，定向準(zhǔn)確度受參數(shù)變化影響大。
直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)(DTC), 在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi),，利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電機(jī)的定子轉(zhuǎn)矩磁鏈,。DTC受轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)影響不大, 而VC受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化影響大, DTC魯棒性比VC強(qiáng)。
DTC系統(tǒng)由電機(jī)的電壓和電流計(jì)算出定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩,，采用砰－砰控制來實(shí)現(xiàn)變頻器的PWM控制,，其著眼點(diǎn)是電壓，而矢量控制的著眼點(diǎn)是電流,，存在電流調(diào)節(jié)時(shí)間滯后,，而DTC沒有電流控制環(huán)路，沒有任何電流反饋,，電機(jī)可以獲得較大的加速電流,，產(chǎn)生較快的電流響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，DTC轉(zhuǎn)矩響應(yīng)比VC快4～5倍,。
DTC由于采用砰－砰控制,，其開關(guān)頻率不穩(wěn)定,，其電流的諧波比VC稍大些，變頻器效率略比VC低一些,，就是說DTC控制變頻器的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要比VC差一些,。無速度傳感器控制是DTC和VC控制系統(tǒng)共同的研究課題,，并不是DTC的發(fā)明專利,，它們都采用同樣的交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型。DTC的低速控制性能不好,，用轉(zhuǎn)子磁鏈控制來補(bǔ)償DTC的低速性能,，控制系統(tǒng)低速時(shí)用ISR，高速時(shí)過渡到DTC,。在水泵機(jī)組,、生化處理、加藥系統(tǒng)中選用DTC系統(tǒng),，還是VC系統(tǒng),，要注意選擇，否則有害無益,。DTC和VC系統(tǒng)作為高性能的調(diào)速系統(tǒng),，在本質(zhì)上是相同的，都能實(shí)現(xiàn)較高的靜,、動(dòng)態(tài)性能,。DTC和VC系統(tǒng)，由于控制方法上的差異,，各有特色,，各有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，各有側(cè)重的應(yīng)用領(lǐng)域,。矢量控制更適應(yīng)于寬范圍調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng),，直接轉(zhuǎn)矩控制更適應(yīng)于快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，魯棒性好的大滯后運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),，兩種系統(tǒng)都存在一些不足,，兩種系統(tǒng)的研究和開發(fā)工作都朝著克服其缺點(diǎn)方向發(fā)展。
5.3 變頻調(diào)速的恒壓變頻供水機(jī)組必須聯(lián)網(wǎng)受控
現(xiàn)在是網(wǎng)絡(luò)化,、電子數(shù)字化時(shí)代,。供水系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的受多變量參數(shù)影響的大滯后的流程企業(yè)系統(tǒng)?！熬W(wǎng)絡(luò)就是控制器”,。大水泵機(jī)組調(diào)速是關(guān)系到供水質(zhì)量的重要一環(huán)，必須按總的供水調(diào)度的需要進(jìn)行工作,。隨著工業(yè)以太網(wǎng)TCP／IP技術(shù)的不斷完善和Internet技術(shù)的不斷發(fā)展,，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控,，可以“e網(wǎng)到底”，水泵機(jī)組等各工藝流程的重要設(shè)備的調(diào)速裝置,，就像是底層的其他測(cè)試儀表一樣,，是網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，是整個(gè)供水系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)棋子,。他們都是有機(jī)的統(tǒng)一體,，各泵站的水泵機(jī)組群體，根據(jù)綜合最小電耗藥耗指標(biāo),，出廠水流量,、壓力的瞬間需要，由優(yōu)化控制策略來確定其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),?？傊宫F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)層,、控制層和管理決策中心層集成一個(gè)管控一體化的生產(chǎn)系統(tǒng),，確保生產(chǎn)運(yùn)行始終處在最佳狀態(tài)。
6 結(jié)束語
一個(gè)現(xiàn)代化城市的迅猛發(fā)展,，加速了水工業(yè)系統(tǒng)工程的大量上馬,。水工業(yè)領(lǐng)域中的泵類負(fù)荷約占全國用電負(fù)荷的40％?？v觀我國水工業(yè)系統(tǒng)絕大部分都設(shè)備陳舊,、技術(shù)落后、耗能嚴(yán)重,。1998年發(fā)布的我國“節(jié)約能源法”明文規(guī)定:“逐步實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī),、風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,發(fā)展電機(jī)調(diào)速節(jié)電和電力電子技術(shù)”;“十五”規(guī)劃又進(jìn)一步強(qiáng)調(diào):“積極開展資源回收利用大力提高資源綜合利用率”,，“加快轉(zhuǎn)換工業(yè)增長(zhǎng)方式,，改善質(zhì)量節(jié)能降耗”、“鼓勵(lì)采用高新技術(shù),，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)”,。
生產(chǎn)機(jī)械的自動(dòng)化和現(xiàn)代化，是水工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán),，采用交流電機(jī)變頻調(diào)速等高新技術(shù)是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要手段,，是電氣傳動(dòng)方面的一場(chǎng)革命。技術(shù)設(shè)備落后,，是我們很多水廠無法低成本,、高質(zhì)量生產(chǎn)的根源，大力推廣變頻調(diào)速優(yōu)化調(diào)度等高新技術(shù),，就有可能使老設(shè)備一步到位的進(jìn)入二十一世紀(jì),，調(diào)速節(jié)能勢(shì)在必行,，齊心協(xié)力，讓水工業(yè)在我們的手里盡快優(yōu)化升級(jí),。各研究所及產(chǎn)品制造方面的專家學(xué)者,，綜合各行各業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐，將那高深莫測(cè)的理論研究去解決實(shí)踐中的生產(chǎn)需要,，才會(huì)有點(diǎn)價(jià)值,。
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