變頻器在供水系統(tǒng)中的節(jié)能應(yīng)用

成 海

(廣西魚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)到對水資源的節(jié)約和對能源的節(jié)約之目的。

節(jié)能；離心泵；變頻器；電動機(jī)

目前，魚峰水泥各生產(chǎn)線上根據(jù)電壓等級的不同，采用高壓/低壓變頻器對電機(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，對水資源的節(jié)約和對能源的節(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)了電動機(jī)的軟停、軟起、避免了啟動時(shí)的電壓沖擊。③做到了資源綜合利用，符合國家提倡的節(jié)能減排方針政策，具有較好的社會效益與一定的經(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:水泵開泵前,吸入管和泵內(nèi)必須充滿液體。開泵后，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有空氣又沒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)速決定水泵的轉(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)了電動機(jī)的軟停、軟起、避免了啟動時(shí)的電壓沖擊，降低了對電網(wǎng)的容量要求和無功損耗。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控制器信號對水泵進(jìn)行速度控制，壓力傳感器檢測管網(wǎng)出水壓力，把信號傳給 PID控制器，PID控制器調(diào)節(jié)變頻器頻率來控制水泵轉(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、MI1與DCM閉合時(shí)PID有效。（見圖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)的各種功能通過變頻器來實(shí)現(xiàn)。其次應(yīng)注意與其它電氣元件的接口互聯(lián)問題，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。

瞬停再啟動功能：再啟動時(shí)檢測電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，平穩(wěn)地再啟動。

軟失速功能：可在過載時(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：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，載波頻率的提高對帶負(fù)荷能力的影響小。

完善的保護(hù)功能：防止過流、過壓、過負(fù)荷、過熱等，過載能力l20%—1min。

（四）節(jié)能效果計(jì)算

設(shè)水泵電機(jī)一臺，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)中電動機(jī)的選擇：

變頻調(diào)速系統(tǒng)主要包括異步電動機(jī)、變頻器、控制環(huán)節(jié)、負(fù)載及傳動機(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)，電動機(jī)不是工作在該電機(jī)設(shè)計(jì)制造的額定工況)，會帶來諧波、電磁干擾，也許會出現(xiàn)局部過電壓、過電流等問題。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)中電動機(jī)容量的選擇：

電動機(jī)容量選擇：電動機(jī)的容量—驅(qū)動負(fù)載所需的動力＋加速/減速所需的動力

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

驅(qū)動負(fù)載（水泵類負(fù)載）所需動力的計(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/b.電壓級別/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)考慮電動機(jī)的容量、電動機(jī)的額定電流、加速時(shí)間等幾方面因素。對于連續(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)載要求的電動機(jī)輸出功率，kW；η——電動機(jī)的效率，通常為0.85；——電動機(jī)的功率因數(shù)，通常為0.75；VE——電動機(jī)額定電壓，V；IE——電動機(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，符合國家提倡的節(jié)能減排方針政策，具有較好的社會效益與一定的經(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

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1008-1151(2011)06-0106-02

2011-03-09

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