北京地區供水系統變頻調速應用例分析

1  引言
　　隨著電力電子器件向大功率化、高頻化、模塊化、智能化方向發展，極大地促進了變頻調速整機系統性能的提高，變頻器整機的控制性能、自診斷和自保護功能越來越強。在變頻調速控制系統中，加入微處理器、單片機、PLC構成的復合系統功能更強。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用于工業生產、社會生活的各個領域。在城市供水系統中，使用變頻調速技術，在提高供水質量及優化供水系統性能的同時，節電效果可觀。下面就北京局部地區的小區、飯店供水系統的變頻調速技術應用例給予介紹和分析。

2  某小區熱水供暖系統一次網中調速供水應用例
　　北京育新花園小區熱水供暖系統一次網采用3臺ISB200/150-400-50A型水泵，其中1臺備用。根據系統一次網的設計流量，采用1臺水泵即可滿足系統的正常使用要求。熱水供暖系統一次網為實現在室外溫度變化時，循環水泵保持在最佳流量工況下運行的目標，系統一次網的循環流量應隨著系統熱負荷的變化而動態調整。對小區熱水供暖系統一次網采用“質量-流量優化調節”，對應不同的熱負荷，系統循環水量在整個采暖季的分布情況和調節情況對應關系如表1。
　　表1中數據表明:系統一次網在流量為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。用變頻器驅動水泵電機，進行質量-流量優化調節，實現供暖系統的優化運行。
　　表1中的數據給出了熱水供暖系統一次網中在不同的循環水量狀態下運行時，傳統的循環水泵閥門調節和變頻調速調節的軸功率對比。電價以0.6元/kWh計算，系統一次網循環水泵在一個采暖季里，采用閥門調節流量，運行電耗費用:123，9022×0.6=7.4萬元(人民幣);采用變頻調速方式，運行電費支出:43，040×0.6=2.6萬元。一個采暖季中，小區熱水供暖系統一次網循環水泵使用變頻調速方式可減少電耗80，802kWh，節省費用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，循環水泵配用變頻調速設備使用投資大約為元6萬元左右，從統計數據上看，不到兩個采暖季就可收回投資。
   
3  某飯店供水系統應用例
　　北京西直門外地區某飯店的供水系統原來由3臺泵組成，每臺泵的出水管均裝有手動閥門，供檢修和調節水量用。經變頻調速改造后，新系統中除了有變頻器以外，還有反映管網壓力的壓力傳感器和電接點壓力表及信號放大系統，還有實現邏輯控制的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系統，使系統始終在恒壓狀態工作。電接點壓力表用來檢測管路的最小壓力。
　　新系統中，一臺變頻器循環啟動3臺泵，1號、2號泵的功率是15kW, 3號泵為11kW。經測算1號泵或2號泵全力工作一般就會滿足整個系統的最大用水量，3號泵是備用泵。白天供水投入1號泵，使它工作在變頻調速狀態，構成壓力閉環系統。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號泵轉為備用，循環使用。當夜間供水量減小，或這兩臺泵處于檢修狀態時，3號泵啟動并變頻運行和維持恒壓。
　　系統采用了富士變頻器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相互閉鎖，保證可靠切換。為確保控制要求的實現，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據。
　　從表2中數據對比知道，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%， 功率因數提高3.1%
　　流量減少4% 水壓降低7.7%
　　轉速下降8.9%

　　使用計算調速前后的功率之比，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，可節約電能w=(p1-pB)×16×360=47347.2(kWh)，電價按0.6元/kWh計算，每年可節約電費支出2.84萬元。而購買變頻設備的費用是2萬多元，從分析知道，1年便可以回收設備投資。
　　表2  1臺15kW的水泵變頻調速前后各項指標對比

4  水泵變頻調速的綜合結果
　　從以上某小區熱水供暖系統一次網中調速供水和飯店供水系統應用例中知道:水泵經變
　　頻調速以后，除了具有很好的節能效果外，在以下性能指標上獲得了提高:
　　(1) 實現了軟啟動;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，沒有再發生因過載、單相運行而燒毀電機的現象，確保了安全運行。
　　(3) 實現了軟啟動，避免了無調速水泵啟動對周邊設備及電網的沖擊。
　　(4) 能自動維持恒壓供水并無級調節水壓;供水質量好，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  結語
　　根據調查資料顯示，北京地區的供水系統應用變頻調速技術有一定的普及程度，但還有
　　很大潛力，繼續在北京地區的供水系統中普及應用變頻調速技術，經濟和社會效益是明顯的，技術優勢也是明顯的，尤其是具有較大幅度的節能效果。但同時也有一些問題，如:變頻恒壓供水系統停電既停水。另外變頻器工作產生的高次諧波對電網電壓有一定影響，尤其是電網有效容量越小，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、變壓器容易發熱，并產生電磁諧振，電動機、發電機產生附加損耗，繼電器產生誤動作。我國的GB12668-90中規定:電氣設備使用時，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，在電網局部地區可能會出現電壓畸變超出國標的情況，宜采取相應的措施處理。

參考文獻
[1] 杜金城,張少軍等.電氣變頻調速設計技術[M].北京:中國電力出版社,2001.
[2] 王占奎.交流變頻調速技術應用例[M].北京:科學出版社, 1999.