變頻器在供水系統(tǒng)中的節(jié)能應(yīng)用

成 海

(廣西魚(yú)峰水泥股份有限公司，廣西 柳州 545008)

變頻器在供水系統(tǒng)中的節(jié)能應(yīng)用

成 海

(廣西魚(yú)峰水泥股份有限公司，廣西 柳州 545008)

就供水系統(tǒng)涉及到的設(shè)計(jì)選型、系統(tǒng)設(shè)置、管路敷設(shè)及造成水泵供水系統(tǒng)高能耗的主要原因進(jìn)行了介紹。系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，利用低壓變頻器變頻作用控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到對(duì)水資源的節(jié)約和對(duì)能源的節(jié)約之目的。

節(jié)能；離心泵；變頻器；電動(dòng)機(jī)

目前，魚(yú)峰水泥各生產(chǎn)線上根據(jù)電壓等級(jí)的不同，采用高壓/低壓變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，節(jié)電效果較為明顯。但企業(yè)的整個(gè)供水系統(tǒng)尚未拿出具體的實(shí)施辦法對(duì)各生產(chǎn)線循環(huán)給排水的機(jī)電設(shè)備（水泵）進(jìn)行節(jié)能改造。隨著企業(yè)規(guī)模的不斷發(fā)展，我們這些從事給排水工作的工程技術(shù)人員需要在生產(chǎn)實(shí)踐中考慮，在充分滿足企業(yè)用水需求的情況下，對(duì)水資源的節(jié)約和對(duì)能源的節(jié)約。供水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速的方式其優(yōu)點(diǎn)有：①提升了系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)恒壓控制，使節(jié)能效率進(jìn)一步提高。②控制離心泵的轉(zhuǎn)速按系統(tǒng)所要求的流量或壓力的變化而改變，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的軟停、軟起、避免了啟動(dòng)時(shí)的電壓沖擊。③做到了資源綜合利用，符合國(guó)家提倡的節(jié)能減排方針政策，具有較好的社會(huì)效益與一定的經(jīng)濟(jì)效益。

（一）造成水泵供水系統(tǒng)高能耗的主要原因

水泵在選型設(shè)計(jì)時(shí)，考慮生產(chǎn)過(guò)程中工況的不斷變化，按所需最大功率量設(shè)計(jì)。預(yù)留較大富裕量、工效低、電耗大。正常運(yùn)行時(shí)，很多情況都是在低負(fù)荷下運(yùn)行,實(shí)際使用中、用水系統(tǒng)很多時(shí)間不一定能達(dá)到用水最大量，常用增加系統(tǒng)阻力來(lái)改變水量、平衡系統(tǒng)壓力；在閥門上產(chǎn)生一個(gè)很大的能量損耗，造成電機(jī)用電損失、消耗大量的電能。造成供水系統(tǒng)高能耗的主要原因綜合如下：

a.水泵及電機(jī)的本身設(shè)計(jì)效率偏低，制造工藝落后；

b.系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型偏差大，致使水泵嚴(yán)重偏離最佳工況點(diǎn)運(yùn)行；

c.管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工不合理，造成局部阻力偏高；水泵經(jīng)常變工況運(yùn)行，通過(guò)閥門節(jié)流調(diào)節(jié)，增加了揚(yáng)程損耗；

d.管路系統(tǒng)滲漏、水流旁通，增加了流量損耗；

e.運(yùn)行維護(hù)管理不當(dāng)，未能及時(shí)更換備件，增加了內(nèi)部泄漏損耗。

（二）水泵工作原理及節(jié)能方式探討

水泵工作原理:水泵開(kāi)泵前,吸入管和泵內(nèi)必須充滿液體。開(kāi)泵后，葉輪高速旋轉(zhuǎn)，其中的液體隨著葉片一起旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，飛離葉輪向外射出，射出的液體在泵殼擴(kuò)散室內(nèi)速度逐漸變慢，壓力逐漸增加，然后從泵出口，排出管流出。此時(shí)，在葉片中心處由于液體被甩向周圍而形成既沒(méi)有空氣又沒(méi)有液體的真空低壓區(qū)，液池中的液體在池面大氣壓的作用下，經(jīng)吸入管流入泵內(nèi)，液體就是這樣連續(xù)不斷地從液池中被抽吸上來(lái)又連續(xù)不斷地從排出管流出。

水泵流量與水泵（電機(jī)）轉(zhuǎn)速成正比，水泵揚(yáng)程與水泵（電機(jī)）轉(zhuǎn)速平方成正比，水泵軸功率等于流量與揚(yáng)程乘積，水泵軸功率與水泵轉(zhuǎn)速三次方成正比（水泵軸功率與供電頻率三次方成正比）。流量基本公式：流量∝轉(zhuǎn)速 揚(yáng)程∝轉(zhuǎn)速2軸功率=流量＊揚(yáng)程∝N3

根據(jù)上述原理可知，改變水泵轉(zhuǎn)速就可改變水泵功率。

電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定水泵的轉(zhuǎn)速，改變水泵轉(zhuǎn)速就可改變水泵功率。將電機(jī)的供電頻率由50Hz降為40Hz，則40Hz /50Hz=（40/50）3= 0.512。P40=0.512 P50

下圖為三種流量控制方式比較、100KW三種流量控制方法測(cè)耗電比較表

流量% 變頻器軸功率KW%輸入閥門控制軸功率KW%輸出閥門控制軸功率KW% 理想軸功率KW%60 25 64 89.5 21.6 70 38 68 95 34.3 80 55 72.5 99.5 51.2 90 79 84 103.5 73 100 108 106 107 100

采用電機(jī)變頻調(diào)速的方式，控制離心泵的轉(zhuǎn)速按系統(tǒng)所要求的流量或壓力的變化而改變，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的軟停、軟起、避免了啟動(dòng)時(shí)的電壓沖擊，降低了對(duì)電網(wǎng)的容量要求和無(wú)功損耗。當(dāng)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速的運(yùn)行時(shí)，理論上其消耗的功率為額定功率，去除機(jī)械損耗電機(jī)銅、鐵損等影響，節(jié)能效率接近40%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)恒壓控制，使節(jié)能效率進(jìn)一步提高。

（三）變頻恒壓供水設(shè)備系統(tǒng)組

1.變頻器是整個(gè)變頻恒壓供水系統(tǒng)核心部分。系統(tǒng)組成（見(jiàn)圖1）：

圖1 變頻器恒壓供水圖

圖 1中，水泵電機(jī)是輸出環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速由變頻器控制，實(shí)現(xiàn)變流量恒壓控制。變頻器接受 PID控制器信號(hào)對(duì)水泵進(jìn)行速度控制，壓力傳感器檢測(cè)管網(wǎng)出水壓力，把信號(hào)傳給 PID控制器，PID控制器調(diào)節(jié)變頻器頻率來(lái)控制水泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2.PID控制器

（1）設(shè)反饋通道選擇VI(0～10V)，遠(yuǎn)傳壓力表的量程范圍0～1Mpa

（2）接線：FWD與DCM閉合時(shí)變頻器啟動(dòng)、MI1與DCM閉合時(shí)PID有效。（見(jiàn)圖2）

圖2 PID控制器調(diào)節(jié)器接線

低壓變頻器指輸入電源電壓為單相220V/三相380V的變頻器。選型首先要考慮用途，選擇通用型還是專用型，要盡量使系統(tǒng)的各種功能通過(guò)變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。其次應(yīng)注意與其它電氣元件的接口互聯(lián)問(wèn)題，要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理緊湊。專用水泵變頻器性能如下；

矢量控制：采用獨(dú)特的矢量運(yùn)算控制，內(nèi)藏PID。

學(xué)習(xí)加減速：根據(jù)負(fù)荷自動(dòng)調(diào)整適當(dāng)?shù)募訙p速時(shí)間，使加減速時(shí)間最短。

自動(dòng)節(jié)電方式：在保證輸出轉(zhuǎn)矩的前提下，比選用標(biāo)準(zhǔn)的V／f曲線節(jié)能效果更好。

電壓反饋控制：可使輸出電壓穩(wěn)定，不隨輸入電壓的變化而變化。

輸入輸出端子功能：可在數(shù)十種功能中進(jìn)行可編程設(shè)定。

瞬停再啟動(dòng)功能：再啟動(dòng)時(shí)檢測(cè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，平穩(wěn)地再啟動(dòng)。

軟失速功能：可在過(guò)載時(shí)不跳閘，降低輸出頻率繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

瞬停不停控制：可在瞬間停電時(shí)繼續(xù)維持運(yùn)轉(zhuǎn)l5ms以上。

狀態(tài)監(jiān)控；可顯示l6種參數(shù)中的任意4種。如頻率、電流、電壓、功率等。

模擬量輸出信號(hào)：可輸出16種參數(shù)中的任意2種(頻率、電流、功率等)。

PWM載載頻率：最高可達(dá)17kHz，中小功率為l2～15kHz，真正靜音，輸電流波形中高諧波含量減小，載波頻率的提高對(duì)帶負(fù)荷能力的影響小。

完善的保護(hù)功能：防止過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)負(fù)荷、過(guò)熱等，過(guò)載能力l20%—1min。

（四）節(jié)能效果計(jì)算

設(shè)水泵電機(jī)一臺(tái)，配用 100kw電機(jī)，實(shí)際工作中供水流量12小時(shí)是全速另外12小時(shí)是只需30%。假設(shè)流量在100%～30%之間變化，設(shè)電機(jī)全速供水量為 Qn，空載損耗為0.1(Y0≈cosnt)。每天總供水量為 65%Qn則全速 P1=(100－100×0.1)kw=90kw。

a.變頻時(shí)只需功率

P2 =(100×0.1+(65%)3×90)kw=34.7kw節(jié)約的功率：Pj=(90－34.7)kw=55.3kw

b.如果電費(fèi)按 0.5元/kw小時(shí)計(jì)算，每年節(jié)約的電費(fèi)

55.3 kw×24h×365×0.元/kwh=242214元=24 萬(wàn)元c.節(jié)電率= P2/P1=34.7/ 90=38.6%

（五）低壓變頻器技術(shù)使用原則

1.變頻調(diào)速系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的選擇：

變頻調(diào)速系統(tǒng)主要包括異步電動(dòng)機(jī)、變頻器、控制環(huán)節(jié)、負(fù)載及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。變頻調(diào)速電機(jī)運(yùn)行時(shí)不是電網(wǎng)供電，而是由變頻器供電(變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)不是工作在該電機(jī)設(shè)計(jì)制造的額定工況)，會(huì)帶來(lái)諧波、電磁干擾，也許會(huì)出現(xiàn)局部過(guò)電壓、過(guò)電流等問(wèn)題。選擇電機(jī)容量時(shí)，應(yīng)考慮以下因素：

a.電機(jī)的容量應(yīng)大于負(fù)載所需的功率。

b.電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于負(fù)載的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并要有足夠的裕量。

c.若電源電壓下降了10%時(shí)，電機(jī)仍能輸出足夠的轉(zhuǎn)矩。

d.電機(jī)應(yīng)在規(guī)定的溫升范圍內(nèi)使用。

e.針對(duì)負(fù)載的性質(zhì)，選擇適合的電機(jī)運(yùn)行方式。

（1）變頻調(diào)速系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)容量的選擇：

電動(dòng)機(jī)容量選擇：電動(dòng)機(jī)的容量—驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需的動(dòng)力＋加速/減速所需的動(dòng)力

（2）變頻調(diào)速系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)負(fù)載的選擇：

驅(qū)動(dòng)負(fù)載（水泵類負(fù)載）所需動(dòng)力的計(jì)算：

（式中k——裕量系數(shù)，k＝1.1～1.2；ρ——液體的密度，kg/m3；Q——流量，m3/min；H——揚(yáng)程，m；p——泵的效率，p＝0.6～0.83。）

2.變頻調(diào)速系統(tǒng)中變頻器的選擇：正確選擇變頻器是系統(tǒng)安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行的前提。根據(jù)負(fù)載機(jī)械的工作特性，結(jié)合對(duì)調(diào)速范圍、調(diào)速精度和經(jīng)濟(jì)性的要求，可以選擇不同種類的變頻器來(lái)控制調(diào)速運(yùn)行。采用v／f控制方式，適用于泵類負(fù)載場(chǎng)合。其節(jié)能效果顯著，調(diào)速范圍和調(diào)速精度較低，成本較低。

（1）變頻器的規(guī)格和指標(biāo)：a.型號(hào)/b.電壓級(jí)別/c.最大適配電機(jī)/d.電源/e.控制特性

（2）變頻器容量的選擇：確定系統(tǒng)中變頻器的容量時(shí)應(yīng)考慮電動(dòng)機(jī)的容量、電動(dòng)機(jī)的額定電流、加速時(shí)間等幾方面因素。對(duì)于連續(xù)運(yùn)行的變頻器必須同時(shí)滿足（表）所列三項(xiàng)要求。

注：PM——負(fù)載要求的電動(dòng)機(jī)輸出功率，kW；η——電動(dòng)機(jī)的效率，通常為0.85；——電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，通常為0.75；VE——電動(dòng)機(jī)額定電壓，V；IE——電動(dòng)機(jī)額定電流，A；k——電流波形補(bǔ)償系數(shù)，通常為l.O5～1.1。

（六）結(jié)論

采用變頻器調(diào)速運(yùn)行后，除了輔機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制；使水泵供水系統(tǒng)工作狀態(tài)更平緩穩(wěn)定外，還可以節(jié)能、帶來(lái)可觀經(jīng)濟(jì)效益。做到了資源綜合利用、改善投資環(huán)境，符合國(guó)家提倡的節(jié)能減排方針政策，具有較好的社會(huì)效益與一定的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] GB50015-2003,建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 查樹(shù)編.葉片泵原理及水力設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1988.

TN773

A

1008-1151(2011)06-0106-02

2011-03-09

成海（1962－），男，廣東人，廣西魚(yú)峰水泥股份有限公司技術(shù)發(fā)展部電氣肋理工程師。