浅析调速方式在自来水自动供水系统中的应用

 

自来水自动供水系统串级调速

　　1、 原理：目前应用于自来水自动供水系统的多为可控硅串级调速，可控硅串级调速是指绕线式电动机转子回路中串一可变电势，通过改变电势的大小来改变电动机的转差，达到调速的目的。电动机的转子功率经过可控有源逆变器，变为与电网同频率的交流电能，将转差功率返回电网，因此效率高。其基本原理如下：先将异步电机的转子电压经过三相桥式整流，整成直流（Ud），再在直流侧串入一个与其相反的直流电势（Uβ），Uβ是由可控硅有源逆变器产生，通过改变逆变器的逆变角β来改变Uβ的大小，从而达到调速与节能目的。自来水自动供水系统串级调速电机特别是内反馈串级调速电机及其调速控制装置是一种具有优良的性能价格比的调速节能产品，适合于矿山、冶金、化工、石油、建材等工业部门和水厂、电厂等领域的大中型水泵、风机的调速节能运行，一般1～2年即可通过节电效益回收全部设备投资。对于风机、水泵类负载，由于其转矩与速度的平方成正比，采用升压变换的自来水自动供水系统串级调速装置最大逆变功率只有电机额定功率的15%，因此，结合内馈绕线型电机时，整个调速系统具有极高的性价比。另外，与采用电压型逆变器的高压变频器相比，由于自来水自动供水系统串级调速没有功率器件桥臂直通短路的问题，因而整个装置可靠性极高。

　　2、自来水自动供水系统串级调速的优点：

　　1） 理论上讲，自来水自动供水系统串级调速控制装置所控制的功率最大为电机额定功率的4/27（14.815%），而变频器至少要100%的电机额定容量。控制容量的降低，带来了一系列优势，比如：制造成本，技术困难，体积，可靠性，关键技术指标的控制等等。特别是对于大型高压电机，这些优势更为突出。

　　2） 在转子侧施加控制，装置承压低。

　　3、串级调速的缺点：

　　1） 须使用绕线式电机，用于小型电机时不划算，因此只有一些较大型的供水系统采用。

　　2） 可控硅做升压需要附加的强制关断电路，这种调速方式节电效果明显，但强制关断电路可靠性差、开关频率低、升压电感体积与重量大、电动机功率因数降低，产生高次谐波污染电网等缺点。

 

自来水自动供水系统应用实例

　　东湖泵站是一个原水泵站。 由北京市政工程设计研究院设计，于1992年初开工，1993年底完工试运行，1994 年5月正式运行。泵房安装有6台卧式离心泵，单机功率为1 600kW，4用2备，其中4台调速机组选用瑞典ABB产品，配套水泵选用日本KUBOTA产品。2台作为备用的定速机组为湘潭电机和长沙水泵。泵站设计供水能力为108万m3/d，现已基本达到满负荷。 

　　东湖泵站所采用的调速装置为自来水自动供水系统串级调速系统，是ABB公司90年代新产品。主要控制部分采用微电脑控制，串级调速系统的功能设置、参数设定、运行数据显示等都集中在一块操作屏上，具有灵活、直观的特性。在对电机的监测和保护方面，也是采用以微电脑为核心的综合保护仪，从而取代了大量的中间继电器，提高了系统的集成度和可靠性。

　　机组在运行时，微电脑动态检测串调系统的各种参数，在显示屏上可以以条状图或数值的方式显示，操作人员可以随时通过按键查看所要的参数。当设备出现故障时，系统自动记录故障信息，故障内容以文字的形式显示在操作屏上，随时可以调用，以协助诊断故障原因。控制系统中还集成有一个六通道记录仪，可以任意选择六个参数与之相连，在液晶显示屏上以曲线的形式实时显示参数的变化情况。当设备发生故障时，通道记录仪可以锁定故障发生前和后一段时间内的信息，通过研究参数变化情况，了解故障发生的原因。

　　在整流桥和逆变桥设计方面，ABB采用了可控的整流桥，通过对整流桥和逆变桥可控硅导通时序的控制，确保逆变桥不会通过整流桥短路。消除了整流桥和逆变桥之间可能存在的环流，在两桥之间通常所采用的直流平波电抗器也可以省去，这样可以节省费用、减少安装空间及平波电抗器的功率消耗、逆变桥和逆变变压器的损耗减少，总体效率提高，因为没有电抗器，整个串级调速系统对供电电源的波动不致于太敏感。

　　此自来水自动供水系统具有三种工作模式，即CASCADE(串调)、BYPASS(旁路)、SCRO(转子短路)。三种工作模式既互相联系，又有区别，三者之间可以平滑切换。串调运行时，当转速达到最低串调速度时，串调系统投入，电机速度可以在最高与最低调速范围内调节；旁路运行时，电机带起动电阻起动，然后起动电阻短接，电机全速运行；转子短路运行时，介于串调和旁路方式之间，在调速范围内时，和串调运行方式相同，当给定值大于最大调速范围时，自动转入旁路运行，串调系统脱开，当给定值在调速范围内时，串调系统又自动投入，机组运行在串调方式。 

      东湖泵站从1994年5月正式投产以后工作方式发生了很大变化。1994年刚开始运行时，调速机组正在调试，主要是运行定速机组。调速机组调试完成后，主要运行的是调速机组。初期，由于供水量小，供水点的标高低，所以机组工作在低扬程、大流量状态，此时机组工作效率低，远离高效区。随着供水量的逐步增加，供水压力逐步上升，机组工作扬程由不足20m提高到33m左右，机组效率大大提高。在1995年 12月以前，机组工作压力基本相同，从原始报表中整理了调速和定速工作时的每千吨水耗电量，节能率40.67%。1996年1月至1998年9月之间，工作方式变化较大。从1998年10月以后，工作状态比较稳定，选取1998年11月到1999年6月的数据，节能率25.21%.

　　通过上述数据分析可以看出，当供水扬程偏低，机组没有工作在高效区时，通过调节电机速度，可以改变工作点，使机组效率提高，因而节能效果十分显著，节能率高达40%；当扬程提高以后，机组效率明显提高，机组基本工作在高效区，这时节能率仍然达到25%。可见，调速机组的节能效果非常好。

　　该调速系统在运行过程中也存在一些问题：

　　1) 系统对雷击比较敏感，尤其是一些电子部件。

　　2) 串调系统功率因数比较低，根据原始记录，最低时只有0.65。所以需要加装就地补偿装置和谐波吸收装置，但谐波吸收装置极易发生故障， 在谐波作用下，其低压变压器经常发生烧包现象。

　　3) 可控硅元件在工作时会发热，使设备内温度很高，这对设备的工作是不利的，因此设备的通风问题十分重要。

 

自来水自动供水系统变频调速

　　1、 简介：据统计资料报道，我国现有约5000万台水泵和风机在运行，总计年用化量可达约1000亿度。泵和风机均属于叶片式流体机械；由流体机械理论，在相似工况下，泵、风机的流量，扬程和功率分别与其转速的一次方、二次方和三次方成正比。如转速下降一半，其功率可下降到原来的1/8。因此，降低电机的转速能使电机的能耗大幅度地降低。二十世纪八十年代初发展起来的变频调速技术，正是顺应了生产发展对节能的要求。液粘调速、电磁调速对水泵调速，串极调速、变频调速直接对电机调速，因此，从节能效果来看，串极调速、变频调速优于液粘调速和电磁调速，而其中又以变频调速的节能效果最好。自八十年代以来大量各种品牌国外变频器进入国内市场，我国也自行研制生产了若干品牌的国产变频器，变频器在我国国式经济各部门中获得了广泛的应用。对于供水系统来说，用得最多的是变频调速恒压变量给水。。在短短的几年内，变频调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。虽然单泵产品系统设计简易可靠，但单泵电动机深度调速造成水泵、电动机运行效率低，而多泵型产品的投资更为节省，运行效率也高，被实际证明是最优的系统设计，因此很快发展成为主导产品。

　　2、 原理：自来水自动供水系统变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n=60f(1-s)/p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器, 将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。变频恒压供水节能的效果主 要取决于用水流量的变化情况及水泵的合理选配，为了使变频 恒压供水具有优良的节能效果，变频恒压供水宜采用多泵并联的供水模式。由多泵并联恒压变频供水理论可知多泵并联恒 压供水，只要其中一台泵是变频泵，其余全是工频泵，可以实现恒压变量供水。在变频恒压变量供水当中，变频泵的流量是变化的，当变频泵是各并联泵中最大，即可保证恒压供水。多泵并联恒压供水，在设计上可做到在恒压条件下各工频泵的效率不变(因工况不变)，并使之处于高效率区工作，变频泵的流量是变化的 ，其工作效率随流量而改变。因为采用多泵并联恒压供水，变频泵的功率降低，从而可以降低多泵并联变频恒压供水系统的能耗，改善节能状况。多泵并联变频恒压变量供水的工作模式通常是这样的：当用水流量小于一台泵在工频恒压条件下的流量，由一台变频泵调速恒压供水；当用水流量增大，变频泵的转速自动上升；当变频泵的转速上升到工频转速，为用水流量进一步增大，由变频供水控制器控制，自动启动一台工频泵投入，该工频泵 提供的流量是恒定的(工频转速恒压下的流量)，其余各并联工频泵按相同的原理投入。在多泵并联变频恒压变量的供水情况下，当用水流量下降 ，变频调速泵的转速下降(变频器供电频率下降)；当频率下降到零流量的时候，变频供水控制器发出一个指令，自动关闭一台工频泵使之超出并联供水。为了减少工频泵自动投入或超出时的冲击(水力的或电流的冲击)。在投入时，变频泵的转速自动下降，然后慢慢上升以满足恒压供水的要求。在超出时，变频泵的转速应自动上升，然后慢慢下降以满足恒压供水的要求。上述频率自动上升，下降由供水变频控制器控制。

　　3、 节能计算： 

　　对于风机、泵类设备采用变频调速后的节能效果，通常采用以下两种方式进行计算： 

　　根据风机、泵类平方转矩负载关系式：P/P0=（n/n0）3计算，式中为P0额定转速n0时的功率；P为转速n时的功率。 

　　以一台工业锅炉使用的22 kW鼓风机为例。运行工况仍以 24小时连续运行，其中每天11小时运行在90%负荷（频率按46Hz计算,挡板调节时电机功耗按98%计算），13小时运行在50%负荷（频率按20Hz计算，挡板调节时电机功耗按70%计算）；全年运行时间在300天为计算依据。 

　　则变频调速时每年的节电量为：W1=22×11×[1－（46/50）3]×300=16067 kwh 

　　W2=22×13×[1－（20/50）3]×300=80309 kwh

　　Wb = W1＋W2=16067＋80309=96376 kwh

　　挡板开度时的节电量为：W1=22×(1－98%)×11×300=1452 kwh

　　W2=22×(1－70%)×11×300=21780 kwh 

　　Wd=W1＋W2=1452＋21780=23232 kwh

　　相比较节电量为：W=Wb－Wd=96376－23232=73144 kwh 

　　每度电按0.5元计算，则采用变频调速每年可节约电费3.657万元。 

　　4、 自来水自动供水系统变频调速的优点： 

　　1) 变频调速是我国节能的一项重点推广技术，受到国家政府的普遍重视，《中华人民共和国节约能源法》第39条就把它列为通用技术加以推广。

　　2) 采用变频调速给水可以大幅度降低节流能量损耗，具有优异的节能效果，直接和间接经济效益十分明显。

　　3) 既能提高了设备效率，又能满足了生产工艺要求，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，还降低了停产周期。

　　4) 具有调速范围宽，控制功能完善等一系列优点，已成功的应用在中、小容量和低压电机上。

　　5、变频调速的缺点：

　　1) 变器调频亦不是任意可调，其调频范围在离心泵的特性曲线最佳工作范围内亦就是下调频率10-30%才能显示出最大节能效益，如再往下调频率只会使水泵运转而不出水的工况，亦就是说到了已超出离心泵的极限工作范围了。

　　2) 生活用水在半夜零点以后用水量很小时，水泵在变频器控制下较长时间低频(速)运转对水泵机械工况不利，同时亦耗能，约为额定功率25%.

　　3) 变频器自身运转过程中会产生电源阶波、噪声、电磁感应、静电感应等特性处理不好会使周围的电器产生误动作。

　　4) 在高压系统中，变频调速器的成本很高，体积较大。

　　5) 其一次性投资巨大，设备投资回收期长，而且对调速范围要求不大的某些风机、水泵来说，变频调速的性能也没有得到充分的利用。

 

应用实例

　　加压站，设计日供水能力１５万立方米／日。加压站分为串联加压和从清水池吸水加压两种形式，串联加压直接从管网吸水。泵房配置６台卧式离心泵（２２０ＫＷ／３８０Ｖ３台２８０ＫＷ／３８０Ｖ３台电机），根据工艺流程分为２组，每组３台泵。每组的１号泵配１套变频调速装置，２号、３号电机共用１套软启动装置（１拖２）。

　　采用变频设备的目的不外乎两个，其一是为了节能降耗，其二是为了工艺的需要或优化。经过各种性能指标的综合比较以及方便今后的维护、保养，板桥加压站采用了ＡＢＢ公司的ＡＣＳ８００变频器、ＰＳＴＢ４７０／５７０软启动器及主要元器件（断路器、接触器等）。

　　ＰＳＴＢ４７０／５７０软启动器性能稳定可靠，操作直观，能自行实现对水泵的软启软停，既能实现水泵的无机械应力启动及有效防止停泵时水锤对水泵的危害，并具有各种保护过载、短路等功能。ＡＣＳ８００变频器不但节能效果好，而且具有调速平滑、运行平稳等优点。它能准确地判断电机负载的变化，使输出频率、电流与电压关系达到优化；同时，在控制电路中运用微处理器的高度智能性，结合软件设计使变频控制更加灵活方便；具有丰富的信号采集处理与输出能力，全面的保护功能与故障处理能力。ＡＣＳ８００交流变频器不仅只是一台变频设备，还相当一台高性能且使用方便的智能控制设备。

　　自来水自动供水系统恒压供水的实现方式：

　　恒压供水就是利用变频器的ＰＩＤ或ＰＩ功能实现的工业过程的闭环控制。即将压力控制点测的压力信号（４～２０ｍＡ）直接输入到变频器中，由变频器将其与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置ＰＩＤ运算将结果转换为频率调节信号调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。 

　　恒压供水系统按压力控制点位置不同，可分两类：一是将控制点设在最不利处，直接按最不利点水压进行工况调节；二是将控制点设于泵站出口，按该点的水压进行工况调节，间接的保证最不利点的水压稳定。

　　压力控制点设在水泵出口，按此压力设定值变频调节水泵工况是常用方式。这种设置管理方便，但其技术、经济性能不十分理想，对用户而言水压波动范围大，并在一定程度上导致了静扬程的浪费，影响了变频系统先进性能的充分发挥。将压力控制点设在最不利处，可以保证用户水压的稳定，无论供水管路等因素发生什么变化，最不利点的水压是恒定的，但这种控压方式又由于存在电缆过长、信号易干扰等问题而受到限制。

　　根据多年的使用经验，将压力控制点设在了出厂口管网上，尽可能将压力控制点靠近最不利点。这种方案对给水设备本身无显著的影响与改变，又可尽可能的发挥出变频调速供水的先进性和经济性。

　　加压站在正常供水情况下只运行串联加压泵组，以充分利用进水管网中的水头，只有在供水量不能满足使用要求时才再开启另一清水池加压泵组。变频泵拥有优先使用权，在开机时，首先启动串联加压泵组１号变频泵，如不能满足供水要求，再由软启动器启动２号工频泵或３号工频泵。

　　作为被控制量的水压设定值一般由人工设定并保持不变，但这种方式并不是最理想方案。我公司通过总结多年使用经验，在板桥加压站恒压供水系统中采用了压力设定值由中心控制室的ＰＬＣ系统根据管网来水流量、供水流量及用水时段等综合因素计算出，并通过现场总线自动传给变频器，实现了在高峰和低峰供水时段自动变压变量供水，在夜间不会由于供水量的减少而产生多余的静扬程，既延长了设备、管线的寿命，又达到了节能降耗的目的。经过３个多月的试运行，实践证明效果非常明显。

 

总 结：

      随着能源的日趋紧张，合理地利用能源和节约能源是世界范围普遍关注的课题，也是我国一向十分重视的方针政策。调速节能技术得到了各供水系统的普遍重视。近年来各种调速技术都有了长足的进步，尤其是随着电子电力技术的飞速进步，变频调速得到了极大的完善。过去困扰变频技术发展的大功率变频器的生产与应用，已经有了可喜的发展，变频器体积变得更小，价格趋于合理、性能更加可靠，因此，变频调速在自来水自动供水系统已成普及之势。液粘调速、电磁调速、串级调速因有着良好的性价比，初期投资少的特点也在各自的领域发挥着积极的作用。对于大、中功率电机的调速，液粘调速、串级调速都是不错的选择，串级调速尤其适合较大功率电机的调速。电磁调速比较适合中、小功率电机的调速，例如机械加速澄清池的搅拌机的调速。对于一些中小型供水系统的供水设备的技术改造，液粘调速、电磁调速也是一个不错的选择。各供水系统应根据自身条件和实际情况，合理选用合适的调速方式，结合自动化和智能化控制，并根据供水需求变化的特点，积极探索最佳的节能效果。