北京地區(qū)供水系統(tǒng)變頻調(diào)速應(yīng)用例分析

1  引言
　　隨著電力電子器件向大功率化、高頻化、模塊化、智能化方向發(fā)展，極大地促進了變頻調(diào)速整機系統(tǒng)性能的提高，變頻器整機的控制性能、自診斷和自保護功能越來越強。在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，加入微處理器、單片機、PLC構(gòu)成的復合系統(tǒng)功能更強。各種功率水平、價格檔次且性能上各具特點的變頻器廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、社會生活的各個領(lǐng)域。在城市供水系統(tǒng)中，使用變頻調(diào)速技術(shù)，在提高供水質(zhì)量及優(yōu)化供水系統(tǒng)性能的同時，節(jié)電效果可觀。下面就北京局部地區(qū)的小區(qū)、飯店供水系統(tǒng)的變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用例給予介紹和分析。

2  某小區(qū)熱水供暖系統(tǒng)一次網(wǎng)中調(diào)速供水應(yīng)用例
　　北京育新花園小區(qū)熱水供暖系統(tǒng)一次網(wǎng)采用3臺ISB200/150-400-50A型水泵，其中1臺備用。根據(jù)系統(tǒng)一次網(wǎng)的設(shè)計流量，采用1臺水泵即可滿足系統(tǒng)的正常使用要求。熱水供暖系統(tǒng)一次網(wǎng)為實現(xiàn)在室外溫度變化時，循環(huán)水泵保持在最佳流量工況下運行的目標，系統(tǒng)一次網(wǎng)的循環(huán)流量應(yīng)隨著系統(tǒng)熱負荷的變化而動態(tài)調(diào)整。對小區(qū)熱水供暖系統(tǒng)一次網(wǎng)采用“質(zhì)量-流量優(yōu)化調(diào)節(jié)”，對應(yīng)不同的熱負荷，系統(tǒng)循環(huán)水量在整個采暖季的分布情況和調(diào)節(jié)情況對應(yīng)關(guān)系如表1。
　　表1中數(shù)據(jù)表明:系統(tǒng)一次網(wǎng)在流量為159t/h和300t/h的工況下運行的時間較多，大約各占700個小時;而流量小于150t/h和大于400t/h的工況運行時間較少，大約各占80個小時。用變頻器驅(qū)動水泵電機，進行質(zhì)量-流量優(yōu)化調(diào)節(jié)，實現(xiàn)供暖系統(tǒng)的優(yōu)化運行。
　　表1中的數(shù)據(jù)給出了熱水供暖系統(tǒng)一次網(wǎng)中在不同的循環(huán)水量狀態(tài)下運行時，傳統(tǒng)的循環(huán)水泵閥門調(diào)節(jié)和變頻調(diào)速調(diào)節(jié)的軸功率對比。電價以0.6元/kWh計算，系統(tǒng)一次網(wǎng)循環(huán)水泵在一個采暖季里，采用閥門調(diào)節(jié)流量，運行電耗費用:123，9022×0.6=7.4萬元(人民幣);采用變頻調(diào)速方式，運行電費支出:43，040×0.6=2.6萬元。一個采暖季中，小區(qū)熱水供暖系統(tǒng)一次網(wǎng)循環(huán)水泵使用變頻調(diào)速方式可減少電耗80，802kWh，節(jié)省費用4.8萬元。
　　市場上變頻器的價格大約在800～900元/kW，ISB200/150-400-50A型水泵的功率為75 kW，循環(huán)水泵配用變頻調(diào)速設(shè)備使用投資大約為元6萬元左右，從統(tǒng)計數(shù)據(jù)上看，不到兩個采暖季就可收回投資。
   
3  某飯店供水系統(tǒng)應(yīng)用例
　　北京西直門外地區(qū)某飯店的供水系統(tǒng)原來由3臺泵組成，每臺泵的出水管均裝有手動閥門，供檢修和調(diào)節(jié)水量用。經(jīng)變頻調(diào)速改造后，新系統(tǒng)中除了有變頻器以外，還有反映管網(wǎng)壓力的壓力傳感器和電接點壓力表及信號放大系統(tǒng)，還有實現(xiàn)邏輯控制的PLC。PLC控制3臺水泵的啟動和停止，壓力傳感器為變頻器提供了反饋量，并和變頻器組成了壓力閉環(huán)系統(tǒng)，使系統(tǒng)始終在恒壓狀態(tài)工作。電接點壓力表用來檢測管路的最小壓力。
　　新系統(tǒng)中，一臺變頻器循環(huán)啟動3臺泵，1號、2號泵的功率是15kW, 3號泵為11kW。經(jīng)測算1號泵或2號泵全力工作一般就會滿足整個系統(tǒng)的最大用水量，3號泵是備用泵。白天供水投入1號泵，使它工作在變頻調(diào)速狀態(tài)，構(gòu)成壓力閉環(huán)系統(tǒng)。但為了均衡水泵的使用壽命，采用定時換泵的方式8小時輪換一個班次，即8小時后，2號泵工作運行，1號泵轉(zhuǎn)為備用，循環(huán)使用。當夜間供水量減小，或這兩臺泵處于檢修狀態(tài)時，3號泵啟動并變頻運行和維持恒壓。
　　系統(tǒng)采用了富士變頻器FRN15P11S-4CX，容量23kVA，額定電流30A，頻率變動范圍0～120Hz，1號和2號泵的型號為80DL50-20×3額定電壓380V，額定電流30A，額定轉(zhuǎn)速1450rpm。3號泵的型號為65LG3620×3，是立式多級分段式離心泵。由于變頻器在任何一個確定的時間只驅(qū)動一臺泵的拖動電機，故3臺泵的啟動、停止采用邏輯控制實現(xiàn)相互閉鎖，保證可靠切換。為確�？刂埔�求的實現(xiàn)，將3臺電機所有的控制、保護、檢測單元全部集中在一個控制柜里。
　　表2給出1臺15kW的水泵分別在定速和變速情況下運行測得的數(shù)據(jù)。
　　從表2中數(shù)據(jù)對比知道，水泵變頻運行后:
　　電源電壓下降了63%， 電機定子電流下降41.3%
　　電源頻率下降12%， 功率因數(shù)提高3.1%
　　流量減少4% 水壓降低7.7%
　　轉(zhuǎn)速下降8.9%

　　使用計算調(diào)速前后的功率之比，式中p為有功功率，U1、I1分別為電機定子線電壓和線電流。
　　工頻運行時有:;
　　變頻運行時有:。功率差p1-pB=8.22(kW)。每年360個工作日，每個工作日平均工作16個小時，可節(jié)約電能w=(p1-pB)×16×360=47347.2(kWh)，電價按0.6元/kWh計算，每年可節(jié)約電費支出2.84萬元。而購買變頻設(shè)備的費用是2萬多元，從分析知道，1年便可以回收設(shè)備投資。
　　表2  1臺15kW的水泵變頻調(diào)速前后各項指標對比

4  水泵變頻調(diào)速的綜合結(jié)果
　　從以上某小區(qū)熱水供暖系統(tǒng)一次網(wǎng)中調(diào)速供水和飯店供水系統(tǒng)應(yīng)用例中知道:水泵經(jīng)變
　　頻調(diào)速以后，除了具有很好的節(jié)能效果外，在以下性能指標上獲得了提高:
　　(1) 實現(xiàn)了軟啟動;工作電流下降，電機運行溫度明顯下降，同時減少了機械磨損，機械檢修工作量也大幅減少。
　　(2) 各種保護功能完善，沒有再發(fā)生因過載、單相運行而燒毀電機的現(xiàn)象，確保了安全運行。
　　(3) 實現(xiàn)了軟啟動，避免了無調(diào)速水泵啟動對周邊設(shè)備及電網(wǎng)的沖擊。
　　(4) 能自動維持恒壓供水并無級調(diào)節(jié)水壓;供水質(zhì)量好，由于取消了高位水箱，防止了水的二次污染。
　　(5)自動化程度提高，提高了水泵的運行效率。

5  結(jié)語
　　根據(jù)調(diào)查資料顯示，北京地區(qū)的供水系統(tǒng)應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)有一定的普及程度，但還有
　　很大潛力，繼續(xù)在北京地區(qū)的供水系統(tǒng)中普及應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，經(jīng)濟和社會效益是明顯的，技術(shù)優(yōu)勢也是明顯的，尤其是具有較大幅度的節(jié)能效果。但同時也有一些問題，如:變頻恒壓供水系統(tǒng)停電既停水。另外變頻器工作產(chǎn)生的高次諧波對電網(wǎng)電壓有一定影響，尤其是電網(wǎng)有效容量越小，變頻器容量越大，影響程度就越大，這種影響會使電力電容、電抗器、變壓器容易發(fā)熱，并產(chǎn)生電磁諧振，電動機、發(fā)電機產(chǎn)生附加損耗，繼電器產(chǎn)生誤動作。我國的GB12668-90中規(guī)定:電氣設(shè)備使用時，引起的電壓畸變率要小于10%，任何奇次諧波不超過5%，偶次諧波不超過2%，使用變頻器后，在電網(wǎng)局部地區(qū)可能會出現(xiàn)電壓畸變超出國標的情況，宜采取相應(yīng)的措施處理。

參考文獻
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[2] 王占奎.交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用例[M].北京:科學出版社, 1999.