优化高压变频器运行 争创节能型泵站

1．前言
柿园水厂担任了郑州市西部地区的重要供水任务，日设计供水量为40万吨。其三期送水泵房共有10台水泵机组，电动机功率分别是：550kW三台、560kW一台、400kW一台，380kW二台、355kW二台、220kW一台。目前变频技术在很多领域已广泛应用，自来水行业中新建成的水厂大都采用变频电机设备，它的特点是：提高水厂生产安全系数并有一定的节电作用。
2001年，总公司根据柿园水厂的实际情况在送水泵房投入使用了利德华福生产的两台高压变频设备，型号是：HARSVERT－A06/076，分别拖动3#号机组550kW电动机和8#号机组560kW电动机，并于同年8月7日投入向城市管网输水运行。经过多年运行，设备基本良好，效益显著。

2．变频器节能的理论依据
我们从水泵调节原理得知，当水泵拖动电机工频运行时，出力为额定值，转速及功率亦为额定值；当采用变频调速时，可以按需要升降电机转速，改变水泵的性能曲线，使水泵的额定参数满足工艺要求。根据水泵的相似定律，变速前后流量、扬程、功率与转速之间的关系为：
Q1/Q2＝n1/n2，H1/H2＝（n1/n2）2，P1/P2＝（n1/n2）3，
其中，Q1、H1、P1—水泵在n1转速时的流量、扬程、功率；
Q2、H2、P2—水泵在n2转速时相似的工况条件下的流量、扬程、功率。
假如，n2比n1降低1/2，则P2/P1＝1/8，可见，降低转速大大降低轴功率可达到节能降耗的目的。

3．两种变频调速给水系统运行方式的分析
目前水厂变频调速基本上都是通过给水系统管网上的压力传感器对管网的水压进行采样，将压力信号转换为电信号，并将其送至PID调节器与用户设置的压力值进行比较和运算，将结果转换为频率调节信号送至变频器。变频器根据传送过来的频率调节信号调整水泵电机的电源频率，从而实现调整水泵的转速。
　　变频调速给水系统根据水泵出口压力的变化情况可分为两种：变压变量给水系统和恒压变量给水系统。
3.1　变压变量给水系统
　　变压变量给水系统的压力传感器设置在给水管网末端，PID调节器设定值为管网末端用户所需的服务水头值。系统通过自动调节使管网末端水压保持恒定，使管路特性曲线和系统静扬程不变，而水泵出水口压力则随着供水量变化依管路特性曲线而改变，故理论上实现了“系统需要多少，机组提供多少”，不会由于供水量的减小而产生多余的静扬程，节能效果满意。但这只是一种理想情况，且系统中仅有变频泵在单独工作。由于变频设备比较昂贵，大型给水系统往往采用变频泵与定速泵并联运行的方式供水。
　　现以系统中设置一台变频泵和一台工频泵并联运行为例。当管网流量减小时，需要扬程相应降低，变频泵可以通过减速运行实现。但为保证并联机组正常工作，工频泵扬程也必须相应降低，这只能通过增加流量实现，从而造成水量的漏失，且还可能导致工频泵离开高效段工作，即没有达到真正节能的目的。遇有以上情况，可以采取以下措施来改善其节能效果：
　　①对于小规模的给水系统，可以仅设一台变频泵，并使泵的高效区(其高效范围比工频泵运行时的范围要大)尽可能多地包括出现几率较大的工况点。
　　②采用多台泵调速运行。当然，由于变频调速装置价格比较昂贵，应综合考虑其经济因素而定。
　　③选择工频泵时，应使系统在最不利点工作时，工频泵的工况点尽量靠近其高效区左侧；如果最不利情况出现几率较小，可以使其稍偏离高效区，落在高效区左外侧。这样，当系统扬程降低时，工频泵仍可在高效区工作。
3.2　恒压变量给水系统
　　恒压变量给水系统将压力传感器设在水泵机组出水口，旨在使水泵出水口压力保持恒定，一般设定为最不利工况时水泵出水口所需压力值。仍以一台变频泵与一台工频泵并联运行为例。当管网流量减小时，变频泵通过减速运行，保持扬程不变而减小出水量。由于出口压力不变，工频泵出水量不会改变(即运行工况不变)，仍在高效区工作，从而达到节能目的。需要指出的是，当系统所需流量变小时，水泵出水口压力(仍为最不利情况下系统所需压力)大于管路此时需要的压力，从而仍会在一定程度上导致静扬程的浪费。以下两种措施可以改善其节能效果：
　　①适当放大管网的管径，使管路特性曲线更趋平缓，但这会增加管网的一次性投资，需要和节能效果作综合经济比较。
②选择工频泵时尽量使每台泵的工况点落在高效区。
针对我厂的实际现状，高压变频器拖动单个机组的节能效果好；还是变频器拖动水泵机组和其他定速泵机组配合使用，再结合市区管网的节能效果好？从变频器投入运行后，我们一直在不断的探索。

4．最佳节能方式的探索
我厂对送水房的电机新安装了远传电度表后，实现了耗电量与供水量的同步计算机计量，为了摸清楚变频电机的具体节能效果，根据我厂的实际运行规律，在报请总公司领导和中调的同意后，进行了对比运行实验。我们分别用一台变频器闭环运行和其他定速泵配合；用两台变频器一个开环运行一个闭环运行和其他定速泵配合；在基本同样的供水量，同样的供水管网，分别试验多次，以下是这三种运行方式的千吨水电耗统计表：






从统计表可知：
全定速运行千吨水单耗平均值：155.9 kWh/dam
一台变频器闭环运行千吨水单耗平均值：151.6 kWh/dam
一台变频器闭环运行，一台变频器开环运行和定速泵配合千吨水单耗平均值：146.9 kWh/dam
由此可知：
两台变频器投入使用和全定速泵比较节能：155.9－146.9＝9 kWh/dam
一台变频器投入运行和定速泵比较节能：155.9－151.6＝4.3 kWh/dam。
根据反复实验的结果，我厂得出结论：用两台变频器一个开环运行一个闭环运行和其他定速泵配合，这种方式最经济。

5．制定措施保障变频器时刻处于运行状态
根据反复实验的结果，我们为送水泵站制定了严格的变频器维修保养制度。按最佳节能方式调节送水泵房的运行车次，要求维修人员接到变频器有故障的通知后，不论是凌晨还是深夜，马上赶到现场维修，以最短的时间，排除故障，投入运行，以求得变频器的持续不间断运行。

6．变频器的优点
6.1安全运行
制水厂的安全生产包括用电和供水管网的安全。使用了变频技术能有效地减小因大功率电机的启动对用电电网的冲击，同时保证管网中压力的平滑过度，减少暴管的几率。
大功率的水泵电机，每次开启都会对厂区电网有影响。通常定速水泵在启动时电流是额定运行电流的6—7倍，这样大的冲击电流易引起掉闸事故，对电网造成威胁。特别是在电网回路中的电流已经接近满负荷时，如果需要再开泵，虽然开启后总电流不超过满负荷规定的要求，但是因为启动电流太大，瞬间总电流将过额定要求，所以不能开泵，因此影响了正常的生产。如果使用了高压变频器后，水泵电机可以从0赫兹逐步上升至实际稳定的运行频率，电机电流也能逐渐升高，电网所受的冲击化解，从而提高了电网的安全运行系数。
管网压力也是水厂的一项重要指导生产指标，压力过高，不仅容易暴管，而且电耗也升高了；压力过低，难以保证城市的正常用水。在各个时段对压力要求也不一样。以前我厂所有的水泵都为定速泵，只要水泵一开启，便运行在工频状态下，其频率、电流都固定，全部采用定速泵的组合不一定能够保证管网压力正好在所要求的压力值范围内，每当管网用水需求变化时，压力便明显变化，必须调整车次，这样做即不安全，也不经济，而且管网在调整车次的短时间内，压力变化较大，易发生暴管事故。而采用变频泵，可以使压力维持恒定，管网需求变化时，靠调节变频泵的频率可以满足用水需求。从而大大降低了管网的暴管次数。

6.2节约能耗
变频水泵电机的节能原理是靠减少供水管网中的不必要的水的机械能实现的。举例说明：我厂出厂外压一般情况维持在0.40Mpa即可满足供水区域的用水需求，如果压力再高，用水量增幅不大，这说明供水区域已饱和，这时高于0.40 Mpa的高出部分压力是浪费，维持这些压力所耗的电能可以通过变频电机的调节作用节省出来。
经过比较发现，水厂运行两台变频器比以前全定速泵的节能情况如下：
柿园水厂2005年日均供水量250.6dam/日
两台变频器投入使用和全定速泵比较节能：155.9－146.9＝9 kWh/dam
日节电费：250.6 dam×9kmh/ dam×0.523（平均电价）＝1179.57元
全年按变频器运行十一个月计算（排除故障维修工时）。
全年节电费：1179.57×335天＝39.5157万元

7．结束语
自来水厂在变频调速给水系统的设计过程中，应根据给水管网的特点合理选择泵的运行方式，以达到在满足使用要求的前提下，既节省投资又节能的目的。
采用变频器装置调速后，实现了电动机的软启动，可以避免大电流启动冲击造成对电机绝缘的影响，减少电动机维修量，节约维修费用，使电机寿命延长，也减少了管道的振动与磨损。平滑调节管网压力，每年节约电费39.5157万元。柿园水厂电费占制水成本的73.90%，节约电能可以有效地降低制水成本，缓解电能紧缺，使送水泵站成为名副其实的节能型泵站。