變頻調速是城市高層供水系統的節能應用研究分析
變頻調速是城市高層供水系統的節能應用研究分析
從城市高層供水系統特點出發，分析了幾種調流技術的實際效果，論述了水工業領域調速節能的必要性，同時指出采用變頻調速是節能的最佳選擇。實踐是檢驗各種調速節能高新技術優劣的唯一標準，理論問題已解決了，現在要加強各行業實踐中的應用研究。
1 引言
由于全國各省市城鎮化建設的飛速發展，近年來出現嚴重缺電缺水現象。許多城市出現限電限水現象。國家出巨資進行大規模的給水排水工程建設。據統計及預測, 全國城市缺水2000×104m3/d，排放污水量約1×108m3/d，我國每年新建擴建的水廠近600×104m3/d，污水處理廠的處理能力將達到700×104m3/d左右。建好管好給水廠和污水處理廠是緩解水工業與現代化城鎮建設的矛盾，是關系到國計民生的重要課題。在給排水工程的建設和管理運行中，設備運行管理費用很高，其中水廠的電耗約占50％。綜觀給水排水行業絕大多數是老企業，設備陳舊，供電設備老化，自動化水平低下，藥耗嚴重，先進控制技術極少采用。近幾年，新上的給排水廠自動化水平高些，也采用了一些先進控制技術，也組建了一些優化調速的綜合自動化監控系統。但大多數新建的FCS、DCS、PLC監控系統也不能進行網絡化監控，造成許多資源的消費。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，變壓器等設備選擇不合理，特別是水泵機組選擇不合理，工藝流程總體布局不合理，使給水排水系統的電耗居高不下。給排水廠運行管理，應從工藝流程及其配套用電設備的變配電系統的綜合設計系統、加藥系統、水泵機組系統的三方向進行重點研究，要制定每噸水的綜合制造單位電耗和藥耗標準，即從每噸水的投資到運行的最佳的代價做文章。在這里，單就水泵機組的最佳節能技術在實際中的選擇進行分析和研究。
2 城市高層供水系統特點
2.1 城市高層供水系統工況特點
一個城市的城市高層供水系統特點，就是多水源、多泵站、多水廠、多管網、變化大。一年之中，隨季節而變的日變化，一日之內又隨時間而變化的時變化。進水水質和流量也是非線性的在變化。設計中一般均以高日高時為設計點，表面上看已滿足了供水需求，但實際上大部分系統均不能滿足實際的水變化。一個城市高層供水系統，一個水廠的綜合水泵揚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。當輸配水管道距離長而選的幾何高差較小時，管道小時，管道摩阻在揚程中所占比重就增大;而在后半夜或所需供水量極小時，配水揚程就變得很低，將使水泵的工作點遠離高效區。
2.2 城市高層供水系統變化系數
(1) 日變化系數Kd最高日用水量與年平均日用水量之比叫高日系數Kd1，而低日系數為當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) 時變化系數Kh高時系數Kh1:最高小時用水量與日平均小時用水量之比; Kh1在1.3至1.6之間，一般取1.4;低時系數Kh2≈0.5左右。
2.3 總的綜合揚程流量變化
(1) 取水廠站流量變化:一般，取水廠站選泵的揚程按每年最大流量，每年最低水位來考慮，其流量變化系數為:
KQ=Kd1/Kd2=1.4/0.6=2.33水泵工作揚程：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
實際上每年最低水位機率很小, 每年絕大多數時間均高于這個低水位, 所選泵的揚程長期不能運轉在高效率區域內。
(2) 凈配水廠站流量變化用水的高峰季節，在分壓供水系統中要增加供水管網的壓力，就要調節管網的供水量，按最大供水量、最高管網壓力來選擇配水泵及臺數。
配水系統流量變化是: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，這說明水工業領域必須考慮調流的主要原因。也說明水泵機組優化調速節能的潛力巨大。
3 城市高層供水系統變頻調速是各種調流方式的最佳選擇
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系。
(1) 用水量總是變化的, 當用水量減小時, 如果水泵正常運行，則系統壓力將增高。當流量減小到75％和50％時，它們的變化是:用水量減小時, 系統壓力憋高，而Hf將加大，Q-G曲線平移到Q′-G′，Q″-G″曲線上，它們與Q-H曲線交點為A′和A″點，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, 采用關小出水閘閥的角度來調流, 此時，水頭損失全浪費在閘閥上。
(3) 為了適應流量的變化, 可改變水泵運轉臺數和組合,此時，水泵的工作點將運轉在低效率上，大量的能源將浪費在管道的水頭損失上。
(4) 采用變頻調速來適應流量變化
(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為轉子實際轉速;
S為電機轉差率;
f為定子頻率;
P為電機極對數;
Q為綜合流量;
H為水泵揚程;
P為電機功率。
如果選用變頻調速，就是通過改變定子頻率，來改變異步電動機轉子的實際轉速，同時，又要滿足電動機轉矩的要求，達到水泵運轉在高效率區域內。
速度改變了，水泵的流量、揚程、功率都隨著改變。優化了整個工藝流程運轉條件，消除了水錘破壞的事件。
從公式(2)(3)(4)(5)可知，當流量減小到75％和50％時，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，還在高效區域內，而水泵所需的軸功率也減小了。轉速下降了，水頭損失不存在，其工作效率卻很高。另方面，水泵組合的揚程處處能與管道綜合的系統阻力相適應，始終保持管網末稍的壓力穩定。當采用液力耦合器或電磁滑差離合器來調速，改變流量，均有一定的節能效果，但轉差功率損失了，低速時損耗更大，效率更低;當采用串級調速技術時，無論采用外串還是內饋，需增設起動電阻和電容補償，功率因數低，低速時更低。
4 城市高層供水系統實例分析
上世紀80年代，我院承擔的百萬噸大規模的北京市第九水廠設計中，從工藝流程到變配電設備選型，不是按最高日最高時的流量和其對應的壓力為工作點來選不同容量水泵和水泵組合;而是在滿足最大設計水量的基礎上，盡量使調速高效特性曲線接近系統的特性曲線，也就是說，盡量將各種調速泵組合的高效區能套入出現機率最高的工作段或點上。調速泵臺數，應在全年內運行工況中開泵出現次數最多的臺數為需要的臺數，而備用泵選用定速泵。
先看取水泵站。取水泵站的各種臺數組合的高效中心線，均在系統特性曲線的左側。在設計運轉臺數時，應將高效中心線包入最大流量點的曲線段，曲線向右下方移動，流量加大而揚程降低，使其與4臺泵運轉的系統特性曲線重合或靠近，水泵綜合運轉效率就會更高。從系統分析看，水泵同時運轉4臺為最經濟，考慮分期建設，第一期選用兩臺容量最大的水泵調速將更經濟合理。
再看配水廠站配置。從電算可知，首期2臺泵運轉出現機率最高，其次為3臺，同時各種臺數組合的高效區均能包入高日高時流量的基礎上向右下方移動，見圖2。加大額定流量降低額定揚程，使配水泵綜合的高效中心線介于兩、三臺水泵運轉時系統特性曲線之間，二期后同時運轉需要4臺，再考慮日變時變率，運轉泵均為調速泵比較合理。當一臺調速泵有故障時，三調一定運轉，其綜合效率降低一點，而工作揚程還是較高。所以，備用泵選用定速泵比較經濟合理。只上一臺機組，既增加了投資，又無實際意義。
只從理論上研究單臺水泵機組調速并不能解決任何實踐需要，這種學究式的理論研究是沒有任何意義的事情。
5 城市高層供水系統選用變頻調速技術應注意的問題
5.1 城市高層供水系統可選的幾種變頻調速技術
從上世紀80年代開始，我國水工業真正步入了變頻調速時代。如北京水源九廠、深圳梅林水廠、深圳中西部源水系統各泵站、北方南水北調各大輸水泵站、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大中型水廠和泵站都選用了變頻調速裝置。水泵電機容量從315kW到2500kW，采用變頻調速裝置的臺數1000臺以上。200kW以下容量選用變頻調速裝置就更多了。
由于電流型變頻器是全控橋整流，諧波非常豐富，對電網公害大，抑制諧波的措施比較復雜，在價格和可靠性上失去了優勢，在水工業領域中已很少采用了。220kW及以上水泵機組可選擇的變頻調速裝置有以下5種:
(1) “中－低－中”變頻器
優點是變頻器價格低，缺點是增加了占地面積和成本，增加了兩級變壓器損耗，可靠性大大降低了，在低速時，變壓器效率更低，功率因數也低。
(2) 低壓大功率變頻器國產低壓變頻器
已做到1000kW, 國外已做到2000kW。建議盡量選用1.7kV、2.3kV、3.3kV多相特殊電動機。
(3) 中－低壓大功率變頻器
其優點是中壓輸電損耗小，低壓變頻效率高，輸入變壓器一側采用角(△)接法，可吸收變頻系統中的高次諧波。
(4) 中－中壓變頻器l中壓IGBT PWM變頻器。
額定功率因數≥0.96，系統器件由60支減為24支, 電路簡化了, 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＞0.95。
(5) 多重化多級串聯中壓變頻器
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串聯中壓變頻調速裝置。采用多電平結構和多級低壓小功率IGBT PWM變頻單元串聯輸出中壓變頻交流電，實現了大功率集成。額定效率≥96％，額定功率因數≥0.95。但必須指出，同一容量采用中壓設備不但價格貴得多，且可靠性也下降了。
5.2 關于水泵電機采用矢量控制或直接轉矩控制的變頻調速控制方案的思考
矢量控制系統(VC)和直接轉矩控制系統(DTC)，都是高性能的交流變頻調速系統，都是轉矩控制，都是基于異步電動機的動態數學模型設計的。矢量控制系統的特點是:通過坐標變換，按轉子磁鏈定向，電機模型需要電機參數多，定向準確度受參數變化影響大。
直接轉矩控制系統(DTC), 在轉速環內，利用轉矩反饋直接控制電機的定子轉矩磁鏈。DTC受轉子側參數影響不大, 而VC受轉子參數變化影響大, DTC魯棒性比VC強。
DTC系統由電機的電壓和電流計算出定子磁鏈和轉矩，采用砰－砰控制來實現變頻器的PWM控制，其著眼點是電壓，而矢量控制的著眼點是電流，存在電流調節時間滯后，而DTC沒有電流控制環路，沒有任何電流反饋，電機可以獲得較大的加速電流，產生較快的電流響應和轉矩響應，DTC轉矩響應比VC快4～5倍。
DTC由于采用砰－砰控制，其開關頻率不穩定，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控制變頻器的穩態指標要比VC差一些。無速度傳感器控制是DTC和VC控制系統共同的研究課題，并不是DTC的發明專利，它們都采用同樣的交流電機數學模型。DTC的低速控制性能不好，用轉子磁鏈控制來補償DTC的低速性能，控制系統低速時用ISR，高速時過渡到DTC。在水泵機組、生化處理、加藥系統中選用DTC系統，還是VC系統，要注意選擇，否則有害無益。DTC和VC系統作為高性能的調速系統，在本質上是相同的，都能實現較高的靜、動態性能。DTC和VC系統，由于控制方法上的差異，各有特色，各有不同的優缺點，各有側重的應用領域。矢量控制更適應于寬范圍調速系統和伺服系統，直接轉矩控制更適應于快速轉矩響應，魯棒性好的大滯后運動控制系統，兩種系統都存在一些不足，兩種系統的研究和開發工作都朝著克服其缺點方向發展。
5.3 城市高層供水系統變頻調速的水泵機組必須聯網受控
現在是網絡化、電子數字化時代。供水系統是一個非常復雜的受多變量參數影響的大滯后的流程企業系統。“網絡就是控制器”。大水泵機組調速是關系到供水質量的重要一環，必須按總的供水調度的需要進行工作。隨著工業以太網TCP／IP技術的不斷完善和Internet技術的不斷發展，網絡監控，可以“e網到底”，水泵機組等各工藝流程的重要設備的調速裝置，就像是底層的其他測試儀表一樣，是網絡上的一個節點，是整個供水系統監控網絡的一個棋子。他們都是有機的統一體，各泵站的水泵機組群體，根據綜合最小電耗藥耗指標，出廠水流量、壓力的瞬間需要，由優化控制策略來確定其運轉狀態?？傊?，要使現場生產層、控制層和管理決策中心層集成一個管控一體化的生產系統，確保生產運行始終處在最佳狀態。
6 結束語
一個現代化城市的迅猛發展，加速了水工業系統工程的大量上馬。水工業領域中的泵類負荷約占全國用電負荷的40％。縱觀我國水工業系統絕大部分都設備陳舊、技術落后、耗能嚴重。1998年發布的我國“節約能源法”明文規定:“逐步實現電動機、風機、泵類設備和系統的經濟運行,發展電機調速節電和電力電子技術”;“十五”規劃又進一步強調:“積極開展資源回收利用大力提高資源綜合利用率”，“加快轉換工業增長方式，改善質量節能降耗”、“鼓勵采用高新技術，帶動產業結構優化升級”。
生產機械的自動化和現代化，是水工業可持續發展的關鍵一環，采用交流電機變頻調速等高新技術是生產自動化的重要手段，是電氣傳動方面的一場革命。技術設備落后，是我們很多水廠無法低成本、高質量生產的根源，大力推廣變頻調速優化調度等高新技術，就有可能使老設備一步到位的進入二十一世紀，調速節能勢在必行，齊心協力，讓水工業在我們的手里盡快優化升級。各研究所及產品制造方面的專家學者，綜合各行各業的生產實踐，將那高深莫測的理論研究去解決實踐中的生產需要，才會有點價值。
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