变频调速技术在净水厂应用

　　2 变频调速技术在水处理工艺不同流程应用

　　常规的净水处理工艺包括取水－＞沉淀－＞过滤－＞送水四个主要流程，配套工艺流程为投加系统、污泥处理及自用水回收等。变频调速技术在水处理工程中的应用，应强调与工艺和控制检测技术的协调考虑。在选用的原则及台数上，一定要目的明确，方法得当，否则不能取得预期效果。

　　(1)在工艺设备选择上，为解决压力或流量动态变化的问题，采用大小泵搭配方法进行匹配，人为增加机泵的组数和土建面积，同时也达不到调节均匀变化和稳定的目的，需靠频繁调整配套阀门的开度解决相关工艺问题。在此情况下，电气人员应根据工艺的具体要求，配套进行机泵技术参数的选择，并通过技术计算，取得性价比较高的变频调速产品。

　　(2)取水泵房变频器的应用，主要是稳定和调节取水流量的大小与后续工艺处理要求而定，相关因素为源水水位变化和流量变化引起的水泵出口压力变化，通过对沉淀工艺处理的效果检测，确定适宜的源水流量或进行人工设置，反馈给变频调速装置，使水泵在高效工作区内取得相对稳定的工作点。

　　(3)沉淀过程中的加矾工艺，直接影响水厂药耗指标和滤池工况。要使加矾处于最佳运行状态，需建立一套数学模型，适用于不同时段、多变和单变参数控制的要求。加矾泵的控制，除冲程量的阶跃性控制外，变频器的应用，使加矾量的控制按级均匀变化，适应了数学模型基础上的闭环控制，该控制方式需配套相应的检测设备和数据处理控制系统，通过精确计算，以4-20mA模拟信号反馈至加矾泵低压变频器的输入控制端，使加矾系统的运行符合水质条件和运行水量的要求，保证沉淀池出水浊度。

　　(4)气水反冲或V型滤池，是净水厂常用的过滤工艺。该工艺流程的设备选型主要通过工艺的详尽计算得出，设备的工作特性为短时反复制。目前变频器直接应用的实例较少。但结合工艺设备选型上的观念改变，通过反冲水或气的压力检测，采用单向液动或气动止回阀代替常设的电动阀和手动闸阀。通过变频器对反冲水泵和鼓风机转速的控制，使反冲水和气的强度按工艺要求准确进行控制，提高过滤工艺的技术指标。这种技术在广东沿海地区的水处理工程中已有具体应用，也是今后值得研究和发展的又一方向。

　　(5)送水泵房是净水厂的重要组成部分，它保证整个管网水量和水压均满足高质量要求，同时它也是在水厂中耗能最大的设备。由于水泵选型时是按最不利条件下最大时流量及相应扬程设计的，而在实际运行中由于季节和昼夜的变化，最大和最小供水量之比约为0.25-0.6。这就会出现高峰小时供水以外的时间内，水泵运行工况点偏离了较佳的工作范围。以前城镇净水厂大多采用调整并联运行水泵台数和调节出水阀开度大小来调整水量与水压。从各大中型水厂运行资料分析，二级泵平均效率在64％左右，能量损耗很大。应用水泵机组变频调速技术，相应地改变水泵转速及工况，使其流量与扬程适应管网用水量的变化。多点选择供水管网最不利点允许的最低压力为控制参数，通过数据处理获取管网综合压力信号，组成闭环压力自控调整系统，保证管网未端的压力和水泵电动机组动态地工作于高效区内，并可实现多台变频调速机组动态综合调频，达到节能效果。
　　如果n为水泵Q-H曲线，A为管网特性曲线，Ho为管网未端服务压力，H为泵出口压力。当用水量达到最大Qmax时，水泵全速运转，出口阀门全开，达到满负荷运行，水泵特性曲线no和用水管路特性曲线Ao汇交于b点，则其工况点为b点。此时水泵的出口压力为H’，末端服务压力刚好为Ho。当用水量从Qmax减少到Q1的过程中，采用不同的控制方案，其水泵电动机组的能耗也不同。
　　a.水泵全速运转，靠关水泵出口阀门来控制：此时，管路阻力特性曲线变陡（A2），水泵工况点由6点上滑到c点。而管路所需的扬程由b点下滑到d点，这样，c点和d点的扬程差值即为全速水泵的能量浪费。
　　b.水泵变速运转，靠泵出口压力恒定来控制，此时，当用水量Qmax下降时，控制系统降低水泵的转速来改变其特性。但由于采用泵出口压力恒量方工作。所以其工况点始终在H’上平移。当水量达到Q1时，相应的水泵特性曲线为nx，而管路的特性曲线将向上平移到A1，两线交点e即为此时工况点。这样，水量在减少到Q1时，将导致管网最不利点水压长高到H1，H1＞Ho，则h1即为水泵的能量浪费。
　　c.水泵变速运转，靠管网最不利点恒定来控制，此时，用水量降至Q1时，水泵降低转速，水泵特性曲线变为n1，其工况点为d，并正好落在管路特性曲线A0上，这样通过电机调速使水泵工作点始终沿A0滑动，并处于水泵转速——效率（n-η）特性曲线的高效区范围内。管网的服务压力H0恒定不变，其扬程与系统阻力相适应，没有能量浪费。此方案与泵出口恒定供水相比，其能耗将下降h1。
　　根据水泵的相似原理：Q1/Q2＝n1/n2...（1）
　　H1/H2＝（n1/n2）2..................（2）
　　P1/P2＝（n1/n2）3..................（3）
　　式中Q、H、P、n－－－分别为水泵的流量、压力、轴功率和转速。通过转速控制可以减少轴功率。
　　从工程实施的实际经验，采用变频调速和管网未端恒压力控制技术，水泵电动机组的综合效率在水泵的高效工作区内，可达到80％以上，节能效果明显，并使变频成套装置投资回收年限缩短到2-5年内。

　　3 变频器选择中应注意的几个问题

　　(1)变频器选择中，应按电动机的额定功率，合理选择变频器的输入和输出电压，与用电设备配套。目前国内所应用的各类变频器低压等级多为380V、660@V，高压为3KV、6KV，不同电压等级服务功率范围不同，其概况见表一。

　　　不同电压等级变频器服务功率推荐

　　不同容量的电机选取适宜的工作电压，保证变频装置的选型和现场安装配电中易于实施，整套变频驱动系统的运行损耗降低，并取得较好的投资效果。

　　(2)新的整流元件和控制技术，使现代变频技术和成套设备应用领域更广。目前国内外广泛应用的通用型GTR变频调速器（Variable Voltage Variable Frequency - VVVF）都是交 － 直 － 交电压型变频器。变频器中的开关元件从传统的SCR技术发展到现代的IGBT（Insulated - Gate Bipolar Transistor）、GTO（Gate Tum - off Thysistor）、IGCT（Intergrated Gate Commutaled Thys - istor），其中IGBT在低压变频技术及整流技术中已得到广泛的应用。高压高用领域中各种元件开通和关断技术性能及控制调节技术不尽相同，具体比较见表二

　　　　　　　高压应用领域中技术比较
　

(3)在VVVF变频调速系统中，先将电网中的交流电整成直流电，而后通过逆变器再将直流电逆变为频率可调的交流电。
整流电路中，根据输入整流桥的组数不同，可分为6、12、18、24脉冲，如ABB的ACS600、ACS1000均可为12脉冲。三菱FR－A500系列为6脉冲。在近期的整流技术中，根据逆变器基本原理而产生的AFE前端主动技术，利用IGBT的技术特性，使前端整流技术由不可控变为可控，有效保障了逆变功能的更好实现。整流电路功能好坏，直接影响变频装置向电网注入谐波量的大小。通过选择隔离或降压器的次级绕组的组数，实现了12、18、24脉波整流电路，脉波数越高，向电网注入的谐波分量和次数均会相应降低。同时两组变频装置间通过适当调整变压器的结线相位角，亦可将某些次数的谐波分量在系统内抵消，不注入电网。另AFE（Active Front End）前端主动技术的采用，使变频器向电网注入谐波的几率降低近零。
关于变频装置，特别是大型电动机组的变频装置应用中向电网注入谐波分量应按国家《电能质量公用电网谐波》管理标准GB/T14549-93严格执行，特殊情况还需另行规定。变频器选用中，应根据当地电网短路容量的实际值进行相应的谐波量核算，以保证电网和周围电气控制系统的安全稳定工作。
根据从直流变到交流的中间环节滤波方法的不同，产生电压源型和电流源型两种型式的变频设备，在实际应用中应结合功率因数补偿协同考虑。电压源型运行功率因数可保证在0.95以下，不需额外补偿装置。电流源型变频设备随电机转速的变化，功率因素较大幅度变化。
由于电流源型变频器功率因数偏低，大部分处于要补偿范围，故需增加额外的补偿设备，对大功率设备的应用，还应考虑补偿量的可变化性，给工程实际运行带来其它相关问题， 设计选择应慎重选用。
4 变频器工程应用中应注意的几个问题
(1)变频器选择应用中，应注重整体配套、包括相应的闭环控制的检测单元、柜上和现场操作盘（箱）。
(2)选型后的产品应就调速系统的一般性指标、主传动系统的性能指标、矢量控制型辅传动系统的性能指标、标量控制型辅传动系统的性能指标、控制系统的可用率等方面，结合工艺技术的具体要求进行考核，达到实际应用的各项要求。
(3)外围设备，如变频变压器，电动机等性能应满足变频工况下长期运行要求、否则应采取其它技术措施，如降容、绝缘加强、辅助散热装置等。
(4)变频器安装及接线中，应严格按照产品安装使用手册进行，各种辅助措施，如装置环境条件的保证，接地安全措施均应予留到位，否则会直接影响变频器的使用寿命和效率，还会造成对其它系统干扰现象。
(5)变频装置在条件允许情况下，应考虑与其它控制系统数据和信息通讯地能力，更好监测变频器的各种工况。
充分发挥多台装置在同一系统中综合应用的潜力，达到动态、互补、经济运行的目的。
5 工程实例
苏州新区水厂，设计净水总规模30x104t/d，分两期实施，一期15x104t/d。按新区用水量实际和发展预测，建成后的水厂实际日供水量4-9x104t/g，日最小最大供水量之比约0.35。近期预测需水量16x104t/d，远期予测需水量30x104t/d。
在送水泵房离心水泵选择和配套电机、调速装置的选用中，根据新区管网的具体特征，对一、二期工程不同供水工况和定速与调速机组台数不同组合情况下的能耗做了如下前期计算，比较结果见表三

新区水厂配水泵不同工况不同组合能耗计算表

从上表可以看出：

　　(1)随着流量从大到小，采用不调速时，扬程增大，水泵效率下降，总功率增加；而有调速水泵机组的组合则扬程减小，水泵效率基本保持在高效区，能耗降低，说明采用调速水泵机组是必要的，节能效果显著。
　　(2)根据能耗差值多少和一次投资的大小做比较，一期工程中，在供水机率较高的工况下，采用一定速泵、一调速泵组合工作方式。与不调速相比，总轴功率减少平均值186KW，计及水泵电动机组整体效率相对提高，减少能耗约214KW，节能率为15.1%，全年可节约电能约180x104Kwh；二期工程中，采用二定速泵，二调速泵组合工作方式，与不调速相比，总轴功率减少平均值277KW，计及水泵电动机组整体效率相对提高，减少能耗约340KW，节能率为17.6%，全年可节省电能约303x104Kwh。
　　(3)按工程施工实际情况，一期选用三台水泵机组，正常运行时二用一备，其中设变频调速机组一台；二期水泵机组增至五台，四用一备，变频机组二台。变频调速设备选用ABB公司ACS600系列产品，配套1000KVA变频变压器及660V、710KW变频电机，单套设备投资190万元，若以0.64元/Kwh电费计价，一期工程年节省电费115万元，计及工程投资利息，可在二年内基本收回变频设备投资；按二期工程变频实施方案，年节省电费194万元，变频投资回收年限三年。
　　由于采用三绕组变频变压器，整流单元采用十二脉冲，逆变器部分采用IGBT大功率元件，PWM脉冲调制方式和DTC直接力矩控制理论，整机组在试验和运行中达到预期目的，谐波分量在10KV直配电系统中（10KV进线处，Smin=69MVA）完全满足电力系统谐波管理规定中的各项要求。

　　6 结论

　　(1)变频器在净水厂中的应用，应结合各工艺流程的具体特征，进行多方案比较选择，做到目的明确，方法得当。
　　(2)选用新工艺、新技术基础上生产制造的成套产品，为装置长期安全、经济运行创造条件。
　　(3)严格按照定型产品的安装使用技术准则使用，避免因应用不当造成额外的经济损失。
　　(4)外围设备的选型应满足变频工况下长期运行要求，与系统有关的问题，如功率因数补偿、谐波的抑制、屏蔽抗干扰措施，应在工程设计施工中完善。