變頻調速技術在自來水廠V型濾池反沖中的應用

萬軼迅

(重慶水務集團股份有限公司，重慶 400015)

1.引言

我集團所屬某水廠設計日供水量20萬噸，采用法國V型濾池過濾工藝，反沖洗系統采用氣水反沖洗技術，采用電腦自動控制全過程。

氣水反沖洗濾池，共二組，每組濾池設計規模10萬m3/d。每組濾池分為5格，單池43.98 28.65m，構筑物高4.1m，總高9.2米濾池采用均粒石英砂濾料過濾，濾料粒徑為0.8~1.0mm，濾床厚度為1.2m，過濾速度8.2m/h，強制濾速10.5m/h。

濾池反沖洗采用三階段氣水反沖洗方式，采用長柄濾頭布水。設計氣水聯合沖洗時水沖強度3.6L/m2.s，單獨水沖洗強度7L/m2.s，氣沖洗強度15L/m2.s。反沖洗水泵采用三臺（二用一備）蝸殼水泵，型號EBARA 400SZPM，單臺Q＝1360m3/h，H＝9.8m，n=740，效率 87%；配套 8級湘潭電機，55kW，n=740，效率92%，二用一備。

在該水廠生產運行中，發現反沖時造成了濾池跑沙嚴重，由于在建調試期間的跑沙和后續的運行，現場沙層厚度已經低于1米（設計值1.2米），甚至最低達到了0.8米以下。在2010年濾池濾料采取了補沙400噸基本達到濾料的設計厚度，因此展開對濾池進行了全面研究和技術創新。

2.濾池初始參數測定

為對比技術創新前后的參數和經濟效益分析，該水廠在2011年8月對濾池的各項主要運行參數進行了測定。根據該水廠濾池的運行工況，選取比較有代表性的四口濾池作為本次測試對象，并對能測試和反映濾池工況的主要運行參數進行了測定，包括運行時間、負荷率、反沖周期、阻塞值、濾后水濁度、反沖三個階段的時間參數(氣沖、氣水混合和水沖)、氣水混合沖階段水沖強度、水沖階段強度、含泥量、濾料高度和跑沙量等(表1)。

通過對表1中濾池的參數分析，對各濾池的運行狀況進行了前期測評，得出如下測評結果：

(1)反沖過程跑沙嚴重

由于濾池必須靠有效的反沖洗來維持濾池的正常及可靠運行，所以要求反沖洗強度必須適當。太弱達不到沖洗要求，影響過濾效果；太強則會造成跑沙，甚至對濾池結構造成破壞。在實際運行中，由于受到設備選型等因數的影響，很難達到反沖強度最佳狀態。為保證反沖效果，設計往往選型預留量20%以上，造成過強沖洗。

該水廠濾池在氣水混合沖時啟動一臺水泵，水沖時啟動二臺水泵，在水沖過程中就存在反沖水量較大，反沖強度太強，以至于跑沙嚴重，最高的濾池A5單次達到了3.68噸（包含測量誤差）。

從測試數據中可以看出，濾池在氣水混合沖階段反沖設計強度為3.6L/m2.s，實際平均強度為5.26 L/m2.s，超過了設計量的46.1%。在水沖階段，反沖設計強度為7 L/m2.s，實際平均強度為9.60 L/m2.s，超過了設計值的37.1%。這也造成該水廠水廠濾池跑沙嚴重。

(2)反沖水電消耗增加

實際反沖強度遠遠大于設計反沖強度，每口濾池反沖的強度過大，造成了反沖過程多余的水耗，也消耗了多余的電能。

3.創新措施的選取

通過測試，找到反沖水強度過大的癥結后，對調節反沖洗強度進行了全面分析和探索，選取了適合本次技術創新的措施。

3.1 水泵流量調節的原理和方法

通過調節泵轉速能很方便地實現改變泵的流量、揚程，從而達到滿足減小水量的要求。要改變轉速，采取的措施三個方面：

(1)改變轉差率，電機生產后，改變轉差率實施起來很困難；

(2)改變電機的極對數，不能實現需要的無極調速；

(3)改變定子供電頻率，也就是變頻調速。

改變定子供電頻率是指通過改變異步電動機定子端輸入電源的頻率來改變電動機的轉速，從而達到改變水泵轉速的目的，也成為變頻調速，它能實現在相同揚程下流量的無極調節。根據交流異步電動機輸出轉速公式n=60f(1-s)/p，在轉差率不變時調節頻率就可以調節電動機的轉速。一旦泵的配套電動機選定，如不進行特殊的處理，這時電動機的轉速將與供電頻率成正比，即電源的頻率越高，轉速就越快；反之，轉速越低。改變泵的轉速，即能實現泵流量、揚程滿足供水要求。

3.2 選取變頻調節創新方式的優點

機泵變頻的基本原理如圖1所示。對于不調速運行的水泵，其工作點只能在n=n0對應的一條曲線上移動。當用戶所需流量從qv.0減小為qv.2時，閥門控制法只能通過關小閥門來實現。由于閥門摩擦阻力變大，管阻特性曲線從曲線1變到曲線2，而揚程特性仍為n=n0時的曲線，因此供水系統的工作點由A點移到A2點，這時流量減小，揚程卻增加了A2B2段的揚程。

變頻通過自動調節泵的轉速，可使管網的某一參數點的水壓始終保持恒定。例如：當計算點取在泵出口，且流量分別為 qv.0、qv.1、qv.2時，將泵轉速分別調在 n0、n1、n2，則泵出水口的壓力保持恒定（工作點分別為A、B1、B2)。如果計算點遠離泵出水口，當流量分別為qv.0、qv.1、qv.2時，泵轉速應分別調在 n0、n1、n2（工作點分別為 A、C1、C2）。這樣考慮管網損失后，計算點上的水壓基本是恒定的。可見，當計算點遠離泵出水口時，為了保證計算點的水壓恒定，泵的出口水壓將變動，這種供水方式稱為“變壓供水”。從圖1不難看出，當流量分別為qv.0、qv.2時，恒壓供水方式比不調速泵供水方式分別節省A1B1和A2B2段揚程；而變壓供水比恒壓供水又分別節省了B1C1和B2C2段的揚程。

圖1 變頻恒壓供水的基本原理圖

圖2 變頻效率曲線圖

從圖2中變頻效率曲線l可以看出，當流量qv=qv.2時，其效率將降至B點可見，隨著流量的減小，水泵運行效率的顯著降低。而在轉速控制方式下，其效率曲線因轉速而變化，在n2時的效率曲線為圖2的曲線2。當流量qv=qv.2時，效率為c點之值，和qv=qv.2時的效率（A點）基本相等，即采用轉速控制可使水泵的效率總處于最佳狀態。

3.3 變頻技術創新方式的現場應用

我們對反沖三臺水泵中兩臺水泵電機加裝變頻裝置，工作形式同樣采用兩用一備，有以下三種方式：

(1)在氣水混合沖時開啟一臺變頻機泵，在水沖時再開啟一臺變頻機泵，另外一臺工頻機泵作為備用。此方式較為合理，通過調試在氣水混合沖和水沖階段均能達到最佳沖洗狀態。

(2)在氣水混合沖時開啟一臺工頻機泵，在水沖時再開啟一臺變頻機泵，另外一臺變頻機泵作為備用。此方式由于工頻機泵出水量太大，變頻機泵出水量達不到其最小出水量而不能出水。

(3)在氣水混合沖時開啟一臺變頻機泵，在水沖時再開啟一臺工頻機泵，另一臺變頻機泵作為備用。同方式(2)，在工頻機泵啟動后，變頻機泵不能出水。

通過三個運行方式方案的技術比較，我們采用方案(1)的工作方式，既能滿足變頻現場調節水量的要求，也能達到最大的節能要求。

4.結果與討論

本次改造后，由于水溫和各濾池等客觀因素，為避免對現有生產系統造成影響，調試分為兩步進行。首先選取靠近設計值的中間值研究運行工況。經過計算設計參數時變頻器應運行在44HZ左右，選取變頻為45HZ，進行初步調試，穩定運行后再根據測試參數進行優化調節。然后觀察運行情況，發現反沖過程中的氣水混合沖和水沖頻率不能一致，結合實際參數，將氣水混合沖階段頻率調整為44.2HZ，水沖階段頻率調整為43HZ。

從以上表格可以看出，本次改造后濾池的濾后水濁度和含泥量等沒有明顯變化，同時濾池反沖洗周期和技術創新改造前一致，說明達到了應有的反沖效果。從本次技術創新的經濟效益分析，經過現場測定發現：(1)反沖水節約114780 m3/年；(2)反沖電節約1800KWH/年；(3)濾池跑沙年節約133.33噸/年。

5.結論

(1)該水廠水反沖強度較設計值偏大，采用本改造方案效果更明顯。反沖強度較設計值越大，經濟效益越佳；反之亦然。

(2)從各濾池改造后參數看，濾池遠近與水頭損失大小關系不大，產生水頭損失較大的主要是濾床的水阻。

(3)在水氣混合沖和單獨水沖階段，機泵需要運行的頻率有差異。按照原來的工頻電機運行，水沖強度偏大，容易造成水電浪費和跑沙。

(4)探索在各種天氣狀況下，運行在什么工況最優，既節約資源，又達到反沖效果。

(5)根據季節變化，水體的黏滯性變化較大。具體運行頻率有待摸索。

[1]張金松.凈水廠技術改造實施指南[K].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[2]漆文光，林浩添，羅鋒等.砂濾強化技術用于自來水廠的生產性試驗研究[J].中國給水排水，2010.26(23)：48-50.

[3]戴立平.變頻調速技術在水廠濾池氣水反沖系統運行中的應用[J].自動化技術與應用，2007.08：23-25.

表1 技術創新前濾池參數匯總

表2 改造前濾池參數

表3 變頻調整最終時混合沖44.2HZ、水沖43HZ后濾池參數