变频器和软启动器在城市供水中的应用

[摘 要] 本文介绍了变频器和软启动器在城市供水中应用的优越性和节约效果。
[关键词] 变频器 软启动器 应用 优越性 节约效果
某山区小城，仅有日产1.5万吨自来水的小水厂，供该城市区10万居民的生活及城内企业之用水，十分紧张。春夏季节绕城河里有水，居民可自行在河中取水和洗涤，一到秋冬季节，河道干涸，河床朝天，用水就成了大问题。水厂只得实施定时放水：早上5:00 ~ 7:00，下午16:00 ~ 19:00，给水站前排起了长龙，为了水曾发生斗殴，甚至于命案。为了解决居民用水问题，市府立项“民心工程”——建一座日产10万吨自来水的水厂，深受市民欢迎。
此处仅讨论与水厂水泵有关的变频器和软启动器的应用情况，排除了自来水制造的工艺流程问题。
水厂共三口取水井，厂内一口，厂外二口；厂外二口取水井分别距水厂3km和5km，井深均为200m。三口井的日出水量分别为1.5万吨、4万吨和6万吨，所有水泵配备的电动机均为笼型异步电动机，其功率分别为75kw一台、180kw二台和320kw二台。
水厂的成品水通过二泵房送至供水管网，二泵房共有五台泵，均配备笼型异步电动机，容量为180kw三台，320kw二台。
我们仅关心电器设备的控制及作用，并不计及城市供水管网的结构。
由于这是一个新老结合的管网，它由新老二部分组成：新城区和省级经济技术开发区是新管网，它采用压力泵调节水压的供水方式；老城区则为老管网，它采用高位水塔维持供水压力的方式，并且还有二个标高，1#蓄水池（水塔）标高900m，给老城较高地区的居民区供水；2#蓄水池（水塔）标高860m，给老城较低地区的居民供水。它们分别由1#泵站和2#泵站给其注水，分别距水厂2.8km和1.2km，所有水泵电动机亦均为笼型异步电动机。1#泵站的二台水泵电动机功率分别为55kw和90kw，2#泵站的二台则为135kw和180kw。
水厂的其它电气设备容量都较小，况且计量泵和搅拌泵都随主机带上了变频器，故不予考虑。
软启动器和变频器特别适合于城市供水系统是基于以下三点：
首先，软启动器和变频器对提高供水系统技术性能指标：在调压式供水系统中，适当分配软启动器和变频器的数量和功率，用软启动器作为主要供水电动机的驱动装置，用变频器作为供水压力的调节装置。根据自动调节原理，我们把供水压力U作为调节量，供水量作为扰动量f构成闭环控制系统，工作原理如图1 。

此处对象就是水泵，当供水系统的扰动（供水量）f增大时，供水压力U下降，给定值Ui与其差值DU增大，使水泵转速提高，直至接近供水压力U的给定值Ui。反之，当扰动量（供水量）f降低时，DU下降，使水泵转速下降。这样，不管系统供水流量大小如何变化，供水的压力U始终维持在给定（压力）值Ui的附近。
其次，使用软启动器和变频器可使水泵按系统需要实现软启动和软停止，这些可以避免突然启动对管网和阀门及其它供水设备的冲击，同样也可避免水泵突然停止时的水锤效应，减少了供水设备的疲劳损坏和检修工作量，延长了使用寿命。
第三，使用软启动器和变频器可节约投资和电能，降低自来水生产成本。
节约电能降低生产成本是无人怀疑的，节约投资就不然了。实际的情况是：在电网上直接启动电动机，其容量不得大于电网容量的15 ~ 20%，选用软启动器和变频器后可把变压器的容量下降至传统驱动方式时的40 ~ 50%。我们这次是这样做的；1#取水井的变压器由1600kvA降至800kvA；2#取水井的变压器由1000kvA降至400kvA；1#泵站的变压器由500kvA降至160kvA；2#泵站变压器亦由1000kvA降至400kvA。加上水厂内的1600kvA变压器，整个供水系统的变压器容量由原来的为5700kvA降至3360kvA，降低了变压器容量2340kvA，节约设备投资30万元，基本电费65万元，同时降低了搬运和安装费15万元，线路架设费10万元，共计节约120万元之多，弥补购置变频器和软起动器之差价还略有剩余。此外还减少无功补偿容量3500kvaR，节约投资60万元有余。
节能有三个方面：一是软启动器较传统直接启动节约电能7 ~ 8%；二是变频调速可取消档板流量调节装置，直接实施供水流量调节，可节电40 ~ 50%；三是采用变频调速，实施调节水压供水方式较高位水塔维持水压供水的方式节能20 ~ 30%，因为在后者供水方式中，高位水塔中水的势能在使用时被白白地浪费了。
鉴于变频器的商业价格通常为软启动器的3 ~ 4倍，因此必须坚持慎重选用变频器，以期物尽其用。我们选用的最终结果是：1#取水井75kw变频器一台；2#取水井180kw软启动器二台；3#取水井320kw软启动器二台；1#泵站55kw变频器一台、90kw软启动器一台；2#泵站135kw变频器一台、180kw软启动器一台；二泵房320kw变频器一台、320kw软启动器一台、180kw软启动器三台。一年运行的节电效果如下：1#取水井节电22万千瓦时，2#取水井节电20万千瓦时，3#取水井节电35万千瓦时，1#泵站节电23万千瓦时，二泵房节电160万千瓦时，共计一年节电305万千瓦时，仅节电一项可使每吨水的生产成本下降0.1元，相当于每年节约电费365万元。
同时，供水的技术指标有了大幅度的提高，供水压力的波动度降到±1.5Pa。可靠性提高到99.5%。