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凈水廠送水泵站的變頻調速技術應用

摘要:本文著重介紹了揚州一水廠在采用變頻調速技術對送水泵站機組進行改造和運行中得到的經驗。結果表明,采用變頻裝置調速后,不僅能平滑調節出廠水壓力,提高生產效率及安全性,還能最大限度節約電費降低制水成本。

  1.前言
   揚州一水廠擔任了揚州市東北地區的重要供水任務,日設計供水量為15.5萬噸。其送水泵房共有5臺水泵機組(泵機組技術參數見表1)。 2005年6月份開始,城市需水量發生變化,供水時變化系數較大,為滿足管網水量和水壓的要求,選擇1#(或2#、3#)與5#機組合,但5號機組長期運行電流在16A左右,比額定電流(20.8A)低達19%,超過允許不平衡電流10%。在對我廠2005年度3~4份的綜合單位電耗最低僅為280kw·h/km3·Mpa,8~9月份的綜合單位電耗最高達390kw·h/km3·Mpa,為了降低電耗,停用了5#機組,選擇1#(或2#、3#)與4#機組合,但增加了機組的開停次數,這種供水方式機組開停頻繁,供水壓力只能作有級調節,受操作人員的限制較多。若機組開停調整不及時,隨著用水量的變化,會出現供水壓力的大幅度波動,供水壓力過低、不能滿足用戶要求;壓力過高時,使管網泄漏和每噸水耗電量增加,造成浪費且容易造成爆管事故。目前,變頻調速技術已廣泛應用于水廠的泵站運行控制,在提高供水質量和降耗節能及自動化生產方面都有十分明顯的經濟效益和社會效益,妥善采用調速技術是解決泵與管網匹配的最好方法。2006年11月對5#機組改造成變頻機組并投入運行,其改造前后泵機組技術參數見表1。

機組型號額定流量(m3/h)揚程(m)轉數(r/min)配套電機備注
1~3#24SA-10A270039730JS158-8,N=380kw 
4#20sh-9B176342970JS148-6,N=310kw 
5#16SA-9C108040960JS136-6,N=180kw改造前
RDL500-640A1260043960 N=400kw改造后

2.變頻調速運行方式的選擇
   變頻調速供水根據水泵出口壓力的變化情況可分為兩種:變頻恒壓變流量供水和變頻變壓變流量供水。
   (1)恒壓變流量供水方式將壓力傳感器設在水泵機組出水口,旨在使水泵出水口壓力保持恒定,一般設定為最不利工況時水泵出水口所需壓力值。當系統所需流量變小時,水泵出水口壓力(仍為最不利情況下系統所需壓力)大于管路此時需要的壓力,從而仍會在一定程度上導致靜揚程的浪費。
   (2)變壓變流量供水的壓力傳感器設置在給水管網末端,PID調節器設定值為管網末端用戶所需的服務水頭值。系統通過自動調節使管網末端水壓保持恒定,使管路特性曲線和系統靜揚程不變,而水泵出水口壓力則隨著供水量變化依管路特性曲線而改變,不會由于供水量的減小而產生多余的靜揚程,節能效果較好。
   本廠采用PLC控制的變頻供水系統, PLC不僅可以實現數字PID調節功能,并可完成水泵機組的監控、自動抽真空等一系列控制功能,并可實現系統的優化控制,以達到最佳的節電效果。系統分時段設置設定壓力(水泵機組出水口壓力值)供水,時段的劃分根據日供水量的變化規律完成,并存入PLC中。系統根據設定壓力與反饋壓力的偏差,通過PID調節器輸出的模擬信號來控制作變頻運行的機組的運行轉速,從而改變泵的出水流量來達到調節供水壓力的目的。本系統在某一時間段內的調速運行方式為恒壓變流量供水,當時間段數劃分趨向越多時調速運行方式為變壓變流量供水。
   3.變頻泵的選型
   變頻泵與工頻泵配置臺數比例的選定,應以充分發揮每臺變頻泵在調速運行時仍能較高效率范圍內運行為原則。如設一臺變頻泵,應使泵的高效區(其高效范圍比工頻泵運行時的范圍要大)盡可能多地包括出現幾率較大的工況點。
   4.運行中應注意的事項
   水泵調速一般是減速問題,當采用變頻調速時,原來按工頻狀態設計的泵與電機的運行參數均發生了較大的變化,另外如管路特性曲線、與變頻泵并列運行的工頻泵等因素,都會對調速的范圍產生一定影響,超范圍調速則難以實現節能的目的。
   4.1水泵工藝特點對變頻泵運行的基本要求
   變頻調速不可能無限制調速,當水泵轉速過小時,泵的效率將急劇下降,受此影響,水泵調速高效區萎縮,若運行工況點已超出該區域,則不宜采用調速。據相關理論變頻調速不宜低于額定轉速50%,最好處于 75%~100%,并應結合實際經計算確定。我廠規定不管在何種機組組合情況下變頻泵運行的下限頻率為38Hz。
   4.2工頻泵與變頻泵混合供水
   采用變頻泵和工頻泵混合供水,應注意確保變頻泵與工頻泵都能在高效段運行,并實現系統最優,此時工頻泵就對與之并列運行的變頻泵的調速范圍產生了較大的影響,采取以下措施來改善其運行效果:
   (1)變頻機組設定的壓力值應符合所搭配運行的定速泵高效段所對應的揚程要求。
   (2)當管網流量變化時,采用開停工頻泵進行大調,利用變頻泵進行細調。在生產中應記錄分析好管網需求水量,可根據初步估計的水量合理確定機組的組合情況,本廠現將變頻機組作為正常開啟機組,用工頻泵進行調節,現廠日供水的范圍為2200~5600 m3/h之間,最小和最大供水量之比為0.4,現采用表2各不同機組組合的情況進行運行,在運行過程中綜合考慮管網壓力及瞬時流量值確定機組的調配。

表2水泵不同組合適應不同用水需求情況

序號機組組合情況額定出水量
(m3/h)
實際出水量
(m3/h)
需求水量
(m3/h)
備注
15#(變頻機組)26002100~30002100~3000 
25#+4#43633000~47003000~4700 
35#+1#(2#、3#)53004700~57004700~5700 
4.3管路特性曲線對變頻泵運行的影響
   管網壓力也是水廠的一項重要指導生產指標,壓力過高,不僅容易暴管,而且電耗也升高了;壓力過低,難以保證城市的正常用水,在各個時段對壓力要求也不一樣。在市政供水系統中,由于管網的調整,用水狀況的變化等隨機因素的影響,都會使實際最不利點和設計最不利點發生一些偏差。我廠供水量不斷增加,管網特性曲線不斷發生變化,應設定管網壓力運行標準要求,記錄管網壓力實際運行值,及時掌握管網供水變化情況并加大匯總分析,總結管網供水變化情況以使合理設定變頻機組壓力設定值。

   4.4在變頻機組某一時段運行過程屬于變頻恒壓變流量供水,當系統所需流量變小時,為避免能量的浪費,同時確保管網服務壓力保持穩定,應及時對PLC控制的變頻供水系統當前時段的壓力設定值進行修改。
   5.結論
   (1)采用PLC控制的變頻供水系統,其性能要優于采用單一的變頻恒壓變流量供水或變頻變壓變流量供水方式,但在運行中需要綜合分析,根據泵的匹配情況選擇合理的運行方案。
   (2)在本變頻供水系統改造后對電耗略有下降但不是很明顯,主要原因是我廠未采用控制泵出口閥門的開度來調節流量,故沒有造成能源的浪費。采用1~4#機組組合運行能滿足管網水量和水壓的要求(停用了耗電量大的5#機組),僅是管網壓力不是太穩定,電耗平均趨于某值,改造后所服務的管網壓力仍與以前的相同,就是依據能量守恒定律電耗平均值也應趨于以前的電耗值。故揚程與管網特性匹配且在高效區域運行的水泵進行調速改造,是沒有明顯節能效果的,其作用僅僅使管網壓力控制調節方便。對于水泵與管網特性有一些偏差,而采用變頻調速改造則不僅能達到節能的目的,又方便了出廠水壓力的控制與調節。
 
 
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