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1 引言
　　
　　在交流電機調(diào)速傳動中，采用變頻技術，既可實現(xiàn)無級調(diào)速，滿足凈水工藝過程中各項指標對電機速度控制的要求，保證水工藝流程的相對穩(wěn)定，大幅度節(jié)約電能，降低制水成本，又可降低或減少相關設備的開停次數(shù)，延長使用壽命，解決由于工程實際運行規(guī)模與設計規(guī)模偏差帶來的弊端，協(xié)調(diào)各工藝流程間匹配關系，降低土建及工藝設備總價，合水廠建設和運行達到國家相應的考核標準?，F(xiàn)就變頻器在水工藝各流程中的具體應用體會，與同行交流，以促進自己的學習、提高。

　　2 變頻調(diào)速技術在水處理工藝不同流程應用

　　常規(guī)的凈水處理工藝包括取水－＞沉淀－＞過濾－＞送水四個主要流程，配套工藝流程為投加系統(tǒng)、污泥處理及自用水回收等。變頻調(diào)速技術在水處理工程中的應用，應強調(diào)與工藝和控制檢測技術的協(xié)調(diào)考慮。在選用的原則及臺數(shù)上，一定要目的明確，方法得當，否則不能取得預期效果。

　?。?）在工藝設備選擇上，為解決壓力或流量動態(tài)變化的問題，采用大小泵搭配方法進行匹配，人為增加機泵的組數(shù)和土建面積，同時也達不到調(diào)節(jié)均勻變化和穩(wěn)定的目的，需靠頻繁調(diào)整配套閥門的開度解決相關工藝問題。在此情況下，電氣人員應根據(jù)工藝的具體要求，配套進行機泵技術參數(shù)的選擇，并通過技術計算，取得性價比較高的變頻調(diào)速產(chǎn)品。

　　（2）取水泵房變頻器的應用，主要是穩(wěn)定和調(diào)節(jié)取水流量的大小與后續(xù)工藝處理要求而定，相關因素為源水水位變化和流量變化引起的水泵出口壓力變化，通過對沉淀工藝處理的效果檢測，確定適宜的源水流量或進行人工設置，反饋給變頻調(diào)速裝置，使水泵在工作區(qū)內(nèi)取得相對穩(wěn)定的工作點。

　?。?）沉淀過程中的加礬工藝，直接影響水廠藥耗指標和濾池工況。要使加礬處于*運行狀態(tài)，需建立一套數(shù)學模型，適用于不同時段、多變和單變參數(shù)控制的要求。加礬泵的控制，除沖程量的階躍性控制外，變頻器的應用，使加礬量的控制按級均勻變化，適應了數(shù)學模型基礎上的閉環(huán)控制，該控制方式需配套相應的檢測設備和數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)，通過計算，以4-20mA模擬信號反饋至加礬泵低壓變頻器的輸入控制端，使加礬系統(tǒng)的運行符合水質(zhì)條件和運行水量的要求，保證沉淀池出水濁度。

　?。?）氣水反沖或V型濾池，是凈水廠常用的過濾工藝。該工藝流程的設備選型主要通過工藝的詳盡計算得出，設備的工作特性為短時反復制。目前變頻器直接應用的實例較少。但結(jié)合工藝設備選型上的觀念改變，通過反沖水或氣的壓力檢測，采用單向液動或氣動止回閥代替常設的電動閥和手動閘閥。通過變頻器對反沖水泵和鼓風機轉(zhuǎn)速的控制，使反沖水和氣的強度按工藝要求準確進行控制，提高過濾工藝的技術指標。這種技術在廣東沿海地區(qū)的水處理工程中已有具體應用，也是今后值得研究和發(fā)展的又一方向。

　?。?）送水泵房是凈水廠的重要組成部分，它保證整個管網(wǎng)水量和水壓均滿足高質(zhì)量要求，同時它也是在水廠中耗能zui大的設備。由于水泵選型時是按zui不利條件下zui大時流量及相應揚程設計的，而在實際運行中由于季節(jié)和晝夜的變化，zui大和zui小供水量之比約為0.25-0.6。這就會出現(xiàn)高峰小時供水以外的時間內(nèi)，水泵運行工況點偏離了較佳的工作范圍。以前城鎮(zhèn)凈水廠大多采用調(diào)整并聯(lián)運行水泵臺數(shù)和調(diào)節(jié)出水閥開度大小來調(diào)整水量與水壓。從各大中型水廠運行資料分析，二級泵平均效率在64％左右，能量損耗很大。應用水泵機組變頻調(diào)速技術，相應地改變水泵轉(zhuǎn)速及工況，使其流量與揚程適應管網(wǎng)用水量的變化。多點選擇供水管網(wǎng)zui不利點允許的zui低壓力為控制參數(shù)，通過數(shù)據(jù)處理獲取管網(wǎng)綜合壓力信號，組成閉環(huán)壓力自控調(diào)整系統(tǒng)，保證管網(wǎng)未端的壓力和水泵電動機組動態(tài)地工作于區(qū)內(nèi)，并可實現(xiàn)多臺變頻調(diào)速機組動態(tài)綜合調(diào)頻，達到節(jié)能效果。
　　如果n為水泵Q-H曲線，A為管網(wǎng)特性曲線，Ho為管網(wǎng)未端服務壓力，H為泵出口壓力。當用水量達到zui大Qmax時，水泵全速運轉(zhuǎn)，出口閥門全開，達到滿負荷運行，水泵特性曲線no和用水管路特性曲線Ao匯交于b點，則其工況點為b點。此時水泵的出口壓力為H’，末端服務壓力剛好為Ho。當用水量從Qmax減少到Q1的過程中，采用不同的控制方案，其水泵電動機組的能耗也不同。
　　a.水泵全速運轉(zhuǎn)，靠關水泵出口閥門來控制：此時，管路阻力特性曲線變陡（A2），水泵工況點由6點上滑到c點。而管路所需的揚程由b點下滑到d點，這樣，c點和d點的揚程差值即為全速水泵的能量浪費。
　　b.水泵變速運轉(zhuǎn)，靠泵出口壓力恒定來控制，此時，當用水量Qmax下降時，控制系統(tǒng)降低水泵的轉(zhuǎn)速來改變其特性。但由于采用泵出口壓力恒量方工作。所以其工況點始終在H’上平移。當水量達到Q1時，相應的水泵特性曲線為nx，而管路的特性曲線將向上平移到A1，兩線交點e即為此時工況點。這樣，水量在減少到Q1時，將導致管網(wǎng)zui不利點水壓長高到H1，H1＞Ho，則h1即為水泵的能量浪費。
　　c.水泵變速運轉(zhuǎn)，靠管網(wǎng)zui不利點恒定來控制，此時，用水量降至Q1時，水泵降低轉(zhuǎn)速，水泵特性曲線變?yōu)閚1，其工況點為d，并正好落在管路特性曲線A0上，這樣通過電機調(diào)速使水泵工作點始終沿A0滑動，并處于水泵轉(zhuǎn)速——效率（n-η）特性曲線的區(qū)范圍內(nèi)。管網(wǎng)的服務壓力H0恒定不變，其揚程與系統(tǒng)阻力相適應，沒有能量浪費。此方案與泵出口恒定供水相比，其能耗將下降h1。
　　根據(jù)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--－分別為水泵的流量、壓力、軸功率和轉(zhuǎn)速。通過轉(zhuǎn)速控制可以減少軸功率。
　　從工程實施的實際經(jīng)驗，采用變頻調(diào)速和管網(wǎng)未端恒壓力控制技術，水泵電動機組的綜合效率在水泵的工作區(qū)內(nèi)，可達到80％以上，節(jié)能效果明顯，并使變頻成套裝置投資回收年限縮短到2-5年內(nèi)。

　　3 變頻器選擇中應注意的幾個問題

　?。?）變頻器選擇中，應按電動機的額定功率，合理選擇變頻器的輸入和輸出電壓，與用電設備配套。目前國內(nèi)所應用的各類變頻器低壓等級多為380V、660@V，高壓為3KV、6KV，不同電壓等級服務功率范圍不同，其概況見表一。

　　　不同電壓等級變頻器服務功率推薦



　　不同容量的電機選取適宜的工作電壓，保證變頻裝置的選型和現(xiàn)場安裝配電中易于實施，整套變頻驅(qū)動系統(tǒng)的運行損耗降低，并取得較好的投資效果。

　　（2）新的整流元件和控制技術，使現(xiàn)代變頻技術和成套設備應用領域更廣。目前國內(nèi)外廣泛應用的通用型GTR變頻調(diào)速器（Variable Voltage Variable Frequency - VVVF）都是交 － 直 － 交電壓型變頻器。變頻器中的開關元件從傳統(tǒng)的SCR技術發(fā)展到現(xiàn)代的IGBT（Insulated - Gate Bipolar Transistor）、GTO（Gate Tum - off Thysistor）、IGCT（Intergrated Gate Commutaled Thys - istor），其中IGBT在低壓變頻技術及整流技術中已得到廣泛的應用。高壓高用領域中各種元件開通和關斷技術性能及控制調(diào)節(jié)技術不盡相同，具體比較見表二

　　　　　　　高壓應用領域中技術比較
　

（3）在VVVF變頻調(diào)速系統(tǒng)中，先將電網(wǎng)中的交流電整成直流電，而后通過逆變器再將直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電。
整流電路中，根據(jù)輸入整流橋的組數(shù)不同，可分為6、12、18、24脈沖，如ABB的ACS600、ACS1000均可為12脈沖。三菱FR－A500系列為6脈沖。在近期的整流技術中，根據(jù)逆變器基本原理而產(chǎn)生的AFE前端主動技術，利用IGBT的技術特性，使前端整流技術由不可控變?yōu)榭煽兀行ПＵ狭四孀児δ艿母脤崿F(xiàn)。整流電路功能好壞，直接影響變頻裝置向電網(wǎng)注入諧波量的大小。通過選擇隔離或降壓器的次級繞組的組數(shù)，實現(xiàn)了12、18、24脈波整流電路，脈波數(shù)越高，向電網(wǎng)注入的諧波分量和次數(shù)均會相應降低。同時兩組變頻裝置間通過適當調(diào)整變壓器的結(jié)線相位角，亦可將某些次數(shù)的諧波分量在系統(tǒng)內(nèi)抵消，不注入電網(wǎng)。另AFE（Active Front End）前端主動技術的采用，使變頻器向電網(wǎng)注入諧波的幾率降低近零。
關于變頻裝置，特別是大型電動機組的變頻裝置應用中向電網(wǎng)注入諧波分量應按國家《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》管理標準GB/T14549-93嚴格執(zhí)行，特殊情況還需另行規(guī)定。變頻器選用中，應根據(jù)當?shù)仉娋W(wǎng)短路容量的實際值進行相應的諧波量核算，以保證電網(wǎng)和周圍電氣控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定工作。
根據(jù)從直流變到交流的中間環(huán)節(jié)濾波方法的不同，產(chǎn)生電壓源型和電流源型兩種型式的變頻設備，在實際應用中應結(jié)合功率因數(shù)補償協(xié)同考慮。電壓源型運行功率因數(shù)可保證在0.95以下，不需額外補償裝置。電流源型變頻設備隨電機轉(zhuǎn)速的變化，功率因素較大幅度變化。
由于電流源型變頻器功率因數(shù)偏低，大部分處于要補償范圍，故需增加額外的補償設備，對大功率設備的應用，還應考慮補償量的可變化性，給工程實際運行帶來其它相關問題， 設計選擇應慎重選用。
4 變頻器工程應用中應注意的幾個問題
（1）變頻器選擇應用中，應注重整體配套、包括相應的閉環(huán)控制的檢測單元、柜上和現(xiàn)場操作盤（箱）。
（2）選型后的產(chǎn)品應就調(diào)速系統(tǒng)的一般性指標、主傳動系統(tǒng)的性能指標、矢量控制型輔傳動系統(tǒng)的性能指標、標量控制型輔傳動系統(tǒng)的性能指標、控制系統(tǒng)的可用率等方面，結(jié)合工藝技術的具體要求進行考核，達到實際應用的各項要求。
（3）外圍設備，如變頻變壓器，電動機等性能應滿足變頻工況下長期運行要求、否則應采取其它技術措施，如降容、絕緣加強、輔助散熱裝置等。
（4）變頻器安裝及接線中，應嚴格按照產(chǎn)品安裝使用手冊進行，各種輔助措施，如裝置環(huán)境條件的保證，接地安全措施均應予留到位，否則會直接影響變頻器的使用壽命和效率，還會造成對其它系統(tǒng)干擾現(xiàn)象。
（5）變頻裝置在條件允許情況下，應考慮與其它控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)和信息通訊地能力，更好監(jiān)測變頻器的各種工況。
充分發(fā)揮多臺裝置在同一系統(tǒng)中綜合應用的潛力，達到動態(tài)、互補、經(jīng)濟運行的目的。
5 工程實例
蘇州新區(qū)水廠，設計凈水總規(guī)模30x104t/d，分兩期實施，一期15x104t/d。按新區(qū)用水量實際和發(fā)展預測，建成后的水廠實際日供水量4-9x104t/g，日zui小zui大供水量之比約0.35。近期預測需水量16x104t/d，遠期予測需水量30x104t/d。
在送水泵房離心水泵選擇和配套電機、調(diào)速裝置的選用中，根據(jù)新區(qū)管網(wǎng)的具體特征，對一、二期工程不同供水工況和定速與調(diào)速機組臺數(shù)不同組合情況下的能耗做了如下前期計算，比較結(jié)果見表三

新區(qū)水廠配水泵不同工況不同組合能耗計算表


從上表可以看出：

　?。?）隨著流量從大到小，采用不調(diào)速時，揚程增大，水泵效率下降，總功率增加；而有調(diào)速水泵機組的組合則揚程減小，水泵效率基本保持在區(qū)，能耗降低，說明采用調(diào)速水泵機組是必要的，節(jié)能*。
　?。?）根據(jù)能耗差值多少和一次投資的大小做比較，一期工程中，在供水機率較高的工況下，采用一定速泵、一調(diào)速泵組合工作方式。與不調(diào)速相比，總軸功率減少平均值186KW，計及水泵電動機組整體效率相對提高，減少能耗約214KW，節(jié)能率為15.1%，全年可節(jié)約電能約180x104Kwh；二期工程中，采用二定速泵，二調(diào)速泵組合工作方式，與不調(diào)速相比，總軸功率減少平均值277KW，計及水泵電動機組整體效率相對提高，減少能耗約340KW，節(jié)能率為17.6%，全年可節(jié)省電能約303x104Kwh。
　?。?）按工程施工實際情況，一期選用三臺水泵機組，正常運行時二用一備，其中設變頻調(diào)速機組一臺；二期水泵機組增至五臺，四用一備，變頻機組二臺。變頻調(diào)速設備選用ABB公司ACS600系列產(chǎn)品，配套1000KVA變頻變壓器及660V、710KW變頻電機，單套設備投資190萬元，若以0.64元/Kwh電費計價，一期工程年節(jié)省電費115萬元，計及工程投資利息，可在二年內(nèi)基本收回變頻設備投資；按二期工程變頻實施方案，年節(jié)省電費194萬元，變頻投資回收年限三年。
　　由于采用三繞組變頻變壓器，整流單元采用十二脈沖，逆變器部分采用IGBT大功率元件，PWM脈沖調(diào)制方式和DTC直接力矩控制理論，整機組在試驗和運行中達到預期目的，諧波分量在10KV直配電系統(tǒng)中（10KV進線處，Smin=69MVA）*電力系統(tǒng)諧波管理規(guī)定中的各項要求。

　　6 結(jié)論

　?。?）變頻器在凈水廠中的應用，應結(jié)合各工藝流程的具體特征，進行多方案比較選擇，做到目的明確，方法得當。
　?。?）選用新工藝、新技術基礎上生產(chǎn)制造的成套產(chǎn)品，為裝置長期安全、經(jīng)濟運行創(chuàng)造條件。
　　（3）嚴格按照定型產(chǎn)品的安裝使用技術準則使用，避免因應用不當造成額外的經(jīng)濟損失。
　?。?）外圍設備的選型應滿足變頻工況下長期運行要求，與系統(tǒng)有關的問題，如功率因數(shù)補償、諧波的抑制、屏蔽抗干擾措施，應在工程設計施工中完善。