供水系统的变频调速改造
发布时间：2019-08-02 10:17:25来源：
供水系统的变频调速改造
1 引言
企业自备水厂是我国在一定历史条件下的产物，由于受建设时期技术经济发展水平局限，水厂设备设施选择落后，控制保护系统不完善，系统运行经济性很差。虽然国家近年来相继采取了一系列政策措施，关、停、并、转了部分企业自备水厂。但是对于大中型国有企业，尤其是国家重点骨干企业的自备水厂，在社会保障体系并不十分完善的今天，它还将在相当长的时期内运转。因此，企业如何减少自备水厂系统故障、降低运行成本高，是节能降耗提高经济效益的当务之急。现代变频调速技术的广泛应用，为进行供水系统节能改造提供了保障。
2 供水加压泵站基本状况及特点
2.1供水加压泵站基本状况
本文所介绍的改造供水加压泵站建成至今已运行20年左右，其配置有3台水泵（每台泵额定流量200m³/h），电机容量75kW，采用自耦降压启动控制，一回路400V电源供电，供水扬程80m，管网出水压力0.75MPa，日供水量8000m³。从20世纪90年代后期开始，系统市场发生管网破裂，设备损坏等各种突发故障，造成供水中断，严重影响企业正常生产、生活用水。
2.2加压泵站供水系统特点
（1） 主要满足企业生产工作用水需求，同时兼顾职工家属生活用水；
（2） 由于生产生活用水时限差异，供水系统负荷变化较大，用户用多少水？什么时候用水？哪些用户用水等具有很大的不确定性。
（3） 供求负荷的不确定性非线性变化，对设备管网产生较大冲击，形成各种故障隐患，供水可靠性差；
（4） 采用启停水泵以及节流阀调整发式，控制调节水压和流量，以满足用户的用水要求，无负荷自动调节系统，运行电能消耗成本较大，系统经济性差。
3 变频调速恒压供水改造
3.1变频调速技术在供水系统中的应用
供水系统中使用的泵类设备属于平方转矩负载，其转速n与流量Q、压力H以及轴功率P有如下关系：Q∝n,H∝n²,P∝n³,即：流量与转速成正比，压力与转速平方成正比，轴功率与转速立方成正比。从上述分析可知，通过改变电动机转速即可方便地改变水的流量，保证水压恒定，达到恒压供水目的；通过改变电动机转速，在降低水流量的同时，可以有效降低系统的电能损耗。
根据电机理论，电动机转速n=60f(1-s)/P，从式中可以看出，改变电动机转速有三种方式：
（1） 改变电动机的极对数P；
（2） 改变电动机的转差率s；
（3） 改变供电电源频率f。
对于大容量、高速运转的泵类电动机，采用前面两种方式进行调速控制，技术及制造工艺上存在一定困难。因此，对水泵电动机调速的比较佳选择就是采用第三种方式：改变供电电源频率f。随着现代制造技术的发展、新材料新工艺的不断应用，变频器性能日趋稳定、功能更加完善，变频调速技术正逐渐广泛应用于各类电动机调式控制系统中，尤其是泵类及风机类电动机。
3.2使用变频器调速运行的主要优点
（1） 实现了电动机软启动，自由停车，避免水泵频繁启停
电动机均通过变频器从0～50Hz作缓慢加速启动，经测量，变频运行时起动电流?5A，而工频直接起动电流?300A，因此，变频运行完全消除了因直接起动造成的对电动机和电网的冲击，降低了电动机故障率，从而避免了水泵因突然高速启动所带来的对管网的冲击，减少管网爆管故障。
（2） 实现恒母管水压控制
均匀平滑调节电机转速，可实现水压自动控制，增强了系统的稳定性和可靠性。操作人员只须改变母管压力设定值，不再调整节流阀，运行自动化程度大为提高，运行和维护工作量降低。
（3） 管道压力降低
原来节流调节时，流量变小时，管带压力反而升高，容易爆管，不利于管道安全运行，而采用变频调节后，流量变小时，管道压力亦变低。
（4） 消除了泵的喘震现象，使泵处于比较佳运行工况状态
（5） 提高了功率因数
从电网侧看，工频运行时功率因数为0.85左右，变频运行时功率因数达到0.95，
因此，改善了电机电源质量，使电机运行功率与实际负荷相匹配，即使同样是满负荷运行，变频运行时，输入电流明显比工频运行时小，这也有利于节能和设备安全运行。
3.3改造方案
（1） 方案简介
站3台水泵实际设备配置情况，增设75KW变频装置及循环孔子装置各一套，分别接至原有各控制柜的输出端，使每台水泵电机都能单独进入自动恒压供水闭环控制系统。保留原有降压启动电控柜，作为备用，在自动系统出现故障时，可转换到手动控制，使备用电控柜投入运行，确保正常供水。
采用大循环方式，由3台水泵、变频器柜、PLC控制器、循环控制柜、启动柜以及压力变送器组成一个闭环系统。压力变送器将管网压力变化值转换成电信号，送入变频器，变频器根据设定值自动调节电机转速，改造供水流量，使管网出水压力始终保持恒定，实现自动调节恒压供水。
（2） 工作原理
运行由变频柜与循环转换柜、水泵、水流、压力传感装置构成的闭环自控系统，首先由变频柜软启动1#水泵，变频器频率从零升至50Hz，水泵达到额定转速。此时供水压力若达不到设定的压力，系统自动将1#水泵切换到工频恒速运行，变频器再软启动2#水泵，进行调速供水，如还达不到设定压力，系统又自动将2#水泵切换到工频恒速运行，变频器又再软启动3#水泵，直到达到设定压力，变频器始终停留在某一水泵上调速运行。如运行中变频泵频率降至设定的比较低频率，供水水压大于设定压力，系统将自动停止比较先启动的水泵，如仍大，再停第二次启动的水泵。在夜间运行时，当比较后一台变频泵频率降到设定的比较低频率，此时供水压力还大于设定的压力时，变频装置监视管网压力，若低于设定压力的0.05Mpa，变频装置自动唤醒，启动水泵补水。该系统就如此循环启动、调速运行、停止，不断进行调整，达到恒压供水的目的。
（3） 主要功能特性
系统设有手动、自动；3台泵循环或2台泵循环；指定泵运行以及按原有方式运行等多种工作控制模式，选择方便，保证了 整个加压泵站供水系统在任何情况下均能正常供水。
该系统具有自动循环起停和水泵定期自动交换运行功能，使各水泵运行时间均衡，避免了某些水泵长期运行磨损严重，而某些水泵又因长期停用（锈死）到用时又不能运行的现象；
所有水泵均可实现软启动，对电网、管网及机械无冲击，从而极大地减少了设备的维修，延长了设备的使用寿命；
系统具备完善的故障自诊断、报警和故障保护功能；
设有清水池水位控制，可连续监视液位变化，并有上下限液位报警，避免水池缺水，造成水泵抽空事故和水满溢出；
系统具有标准的通讯接口，可直接与微机联网，实现微机自动化管理。
3.4改造经济性分析
（1） 基本情况
根据加压泵站改造前后3年运行的有关数据统计，以下述基本参数为基础进行分析：
2台水泵全年每天24h运行，总运行时间365×24＝8760h；供水总流量Qn=2×200=400m³/h；水泵的标称扬程80（比较大扬程90m）；用户扬程75m；水泵的标称效率76％；电机的额定功率P=2×75=150KW；电机的标称效率84％；变频器的标称效率95％。电费综合价格0.60元/KW?h。
（2） 运行节能计算
原系统每年运行所耗电量为：866497KW?h
变频调速恒压供水改造后每年运行所耗电量为：694399KW?h
年节电量：172098KW?h
节约电费：103259元
改造工程总费用：15.6万元
投资收回期：1.5年（从实际运行费用收支情况，2年即收回了全部投资）
（3） 运行曲线
在同一流量下，改造后功率明显减小，所耗电量也明显减小，节约了电能。
4 结束语
加压泵站从2000年进行变频调速技术改造运行至今，取得了明显的经济效益和社会效益；系统故障停水基本消失，设备停运检修时间大大延长，供水可靠性有了极大提高，保证了企业生产生活用水的需要。但在改造及运行过程中，有许多经验值得总结：
（1） 改造所用变频器、PLC控制器、变送器及接触器等主要元气件必须选用著名企业的优质产品；
（2） 必须对工作环境进行同步改造，以确保变频系统正常运行；
（3） 紧持定期对变频系统进行维护保养；
（4） 定期进行系统参数校核；
（5） 尽量采用成熟的新技术，以提高系统可靠性
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