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1 引言
　　
　　在交流電機(jī)調(diào)速傳動(dòng)中，采用變頻技術(shù)，既可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，滿(mǎn)足凈水工藝過(guò)程中各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)電機(jī)速度控制的要求，保證水工藝流程的相對(duì)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(guān)設(shè)備的開(kāi)停次數(shù)，延長(zhǎng)使用壽命，解決由于工程實(shí)際運(yùn)行規(guī)模與設(shè)計(jì)規(guī)模偏差帶來(lái)的弊端，協(xié)調(diào)各工藝流程間匹配關(guān)系，降低土建及工藝設(shè)備總價(jià)，合水廠(chǎng)建設(shè)和運(yùn)行達(dá)到國(guó)家相應(yīng)的考核標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)就變頻器在水工藝各流程中的具體應(yīng)用體會(huì)，與同行交流，以促進(jìn)自己的學(xué)習(xí)、提高。

　　2 變頻調(diào)速技術(shù)在水處理工藝不同流程應(yīng)用

　　常規(guī)的凈水處理工藝包括取水－＞沉淀－＞過(guò)濾－＞送水四個(gè)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(shù)在水處理工程中的應(yīng)用，應(yīng)強(qiáng)調(diào)與工藝和控制檢測(cè)技術(shù)的協(xié)調(diào)考慮。在選用的原則及臺(tái)數(shù)上，一定要目的明確，方法得當(dāng)，否則不能取得預(yù)期效果。

　　（1）在工藝設(shè)備選擇上，為解決壓力或流量動(dòng)態(tài)變化的問(wèn)題，采用大小泵搭配方法進(jìn)行匹配，人為增加機(jī)泵的組數(shù)和土建面積，同時(shí)也達(dá)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(mén)的開(kāi)度解決相關(guān)工藝問(wèn)題。在此情況下，電氣人員應(yīng)根據(jù)工藝的具體要求，配套進(jìn)行機(jī)泵技術(shù)參數(shù)的選擇，并通過(guò)技術(shù)計(jì)算，取得性?xún)r(jià)比較高的變頻調(diào)速產(chǎn)品。

　?。?）取水泵房變頻器的應(yīng)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(guān)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(guò)對(duì)沉淀工藝處理的效果檢測(cè)，確定適宜的源水流量或進(jìn)行人工設(shè)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(duì)穩(wěn)定的工作點(diǎn)。

　　（3）沉淀過(guò)程中的加礬工藝，直接影響水廠(chǎng)藥耗指標(biāo)和濾池工況。要使加礬處于*運(yùn)行狀態(tài)，需建立一套數(shù)學(xué)模型，適用于不同時(shí)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(yīng)用，使加礬量的控制按級(jí)均勻變化，適應(yīng)了數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的閉環(huán)控制，該控制方式需配套相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備和數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算，以4-20mA模擬信號(hào)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(yùn)行符合水質(zhì)條件和運(yùn)行水量的要求，保證沉淀池出水濁度。

　　（4）氣水反沖或V型濾池，是凈水廠(chǎng)常用的過(guò)濾工藝。該工藝流程的設(shè)備選型主要通過(guò)工藝的詳盡計(jì)算得出，設(shè)備的工作特性為短時(shí)反復(fù)制。目前變頻器直接應(yīng)用的實(shí)例較少。但結(jié)合工藝設(shè)備選型上的觀(guān)念改變，通過(guò)反沖水或氣的壓力檢測(cè)，采用單向液動(dòng)或氣動(dòng)止回閥代替常設(shè)的電動(dòng)閥和手動(dòng)閘閥。通過(guò)變頻器對(duì)反沖水泵和鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，使反沖水和氣的強(qiáng)度按工藝要求準(zhǔn)確進(jìn)行控制，提高過(guò)濾工藝的技術(shù)指標(biāo)。這種技術(shù)在廣東沿海地區(qū)的水處理工程中已有具體應(yīng)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(chǎng)的重要組成部分，它保證整個(gè)管網(wǎng)水量和水壓均滿(mǎn)足高質(zhì)量要求，同時(shí)它也是在水廠(chǎng)中耗能zui大的設(shè)備。由于水泵選型時(shí)是按zui不利條件下zui大時(shí)流量及相應(yīng)揚(yáng)程設(shè)計(jì)的，而在實(shí)際運(yùn)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(huì)出現(xiàn)高峰小時(shí)供水以外的時(shí)間內(nèi)，水泵運(yùn)行工況點(diǎn)偏離了較佳的工作范圍。以前城鎮(zhèn)凈水廠(chǎng)大多采用調(diào)整并聯(lián)運(yùn)行水泵臺(tái)數(shù)和調(diào)節(jié)出水閥開(kāi)度大小來(lái)調(diào)整水量與水壓。從各大中型水廠(chǎng)運(yùn)行資料分析，二級(jí)泵平均效率在64％左右，能量損耗很大。應(yīng)用水泵機(jī)組變頻調(diào)速技術(shù)，相應(yīng)地改變水泵轉(zhuǎn)速及工況，使其流量與揚(yáng)程適應(yīng)管網(wǎng)用水量的變化。多點(diǎn)選擇供水管網(wǎng)zui不利點(diǎn)允許的zui低壓力為控制參數(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理獲取管網(wǎng)綜合壓力信號(hào)，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(dòng)機(jī)組動(dòng)態(tài)地工作于區(qū)內(nèi)，并可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)變頻調(diào)速機(jī)組動(dòng)態(tài)綜合調(diào)頻，達(dá)到節(jié)能效果。
　　如果n為水泵Q-H曲線(xiàn)，A為管網(wǎng)特性曲線(xiàn)，Ho為管網(wǎng)未端服務(wù)壓力，H為泵出口壓力。當(dāng)用水量達(dá)到zui大Qmax時(shí)，水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)，出口閥門(mén)全開(kāi)，達(dá)到滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，水泵特性曲線(xiàn)no和用水管路特性曲線(xiàn)Ao匯交于b點(diǎn)，則其工況點(diǎn)為b點(diǎn)。此時(shí)水泵的出口壓力為H’，末端服務(wù)壓力剛好為Ho。當(dāng)用水量從Qmax減少到Q1的過(guò)程中，采用不同的控制方案，其水泵電動(dòng)機(jī)組的能耗也不同。
　　a.水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠關(guān)水泵出口閥門(mén)來(lái)控制：此時(shí)，管路阻力特性曲線(xiàn)變陡（A2），水泵工況點(diǎn)由6點(diǎn)上滑到c點(diǎn)。而管路所需的揚(yáng)程由b點(diǎn)下滑到d點(diǎn)，這樣，c點(diǎn)和d點(diǎn)的揚(yáng)程差值即為全速水泵的能量浪費(fèi)。
　　b.水泵變速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠泵出口壓力恒定來(lái)控制，此時(shí)，當(dāng)用水量Qmax下降時(shí)，控制系統(tǒng)降低水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)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(diǎn)始終在H’上平移。當(dāng)水量達(dá)到Q1時(shí)，相應(yīng)的水泵特性曲線(xiàn)為nx，而管路的特性曲線(xiàn)將向上平移到A1，兩線(xiàn)交點(diǎn)e即為此時(shí)工況點(diǎn)。這樣，水量在減少到Q1時(shí)，將導(dǎo)致管網(wǎng)zui不利點(diǎn)水壓長(zhǎng)高到H1，H1＞Ho，則h1即為水泵的能量浪費(fèi)。
　　c.水泵變速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠管網(wǎng)zui不利點(diǎn)恒定來(lái)控制，此時(shí)，用水量降至Q1時(shí)，水泵降低轉(zhuǎn)速，水泵特性曲線(xiàn)變?yōu)閚1，其工況點(diǎn)為d，并正好落在管路特性曲線(xiàn)A0上，這樣通過(guò)電機(jī)調(diào)速使水泵工作點(diǎn)始終沿A0滑動(dòng)，并處于水泵轉(zhuǎn)速——效率（n-η）特性曲線(xiàn)的區(qū)范圍內(nèi)。管網(wǎng)的服務(wù)壓力H0恒定不變，其揚(yáng)程與系統(tǒng)阻力相適應(yīng)，沒(méi)有能量浪費(fèi)。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(guò)轉(zhuǎn)速控制可以減少軸功率。
　　從工程實(shí)施的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，采用變頻調(diào)速和管網(wǎng)未端恒壓力控制技術(shù)，水泵電動(dòng)機(jī)組的綜合效率在水泵的工作區(qū)內(nèi)，可達(dá)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(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

　?。?）變頻器選擇中，應(yīng)按電動(dòng)機(jī)的額定功率，合理選擇變頻器的輸入和輸出電壓，與用電設(shè)備配套。目前國(guó)內(nèi)所應(yīng)用的各類(lèi)變頻器低壓等級(jí)多為380V、660@V，高壓為3KV、6KV，不同電壓等級(jí)服務(wù)功率范圍不同，其概況見(jiàn)表一。

　　　不同電壓等級(jí)變頻器服務(wù)功率推薦



　　不同容量的電機(jī)選取適宜的工作電壓，保證變頻裝置的選型和現(xiàn)場(chǎng)安裝配電中易于實(shí)施，整套變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)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(shù)，使現(xiàn)代變頻技術(shù)和成套設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域更廣。目前國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)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(kāi)關(guān)元件從傳統(tǒng)的SCR技術(shù)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(shù)及整流技術(shù)中已得到廣泛的應(yīng)用。高壓高用領(lǐng)域中各種元件開(kāi)通和關(guān)斷技術(shù)性能及控制調(diào)節(jié)技術(shù)不盡相同，具體比較見(jiàn)表二

　　　　　　　高壓應(yīng)用領(lǐng)域中技術(shù)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(guò)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(shù)中，根據(jù)逆變器基本原理而產(chǎn)生的AFE前端主動(dòng)技術(shù)，利用IGBT的技術(shù)特性，使前端整流技術(shù)由不可控變?yōu)榭煽兀行ПＵ狭四孀児δ艿母脤?shí)現(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(guò)選擇隔離或降壓器的次級(jí)繞組的組數(shù)，實(shí)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(huì)相應(yīng)降低。同時(shí)兩組變頻裝置間通過(guò)適當(dāng)調(diào)整變壓器的結(jié)線(xiàn)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(dòng)技術(shù)的采用，使變頻器向電網(wǎng)注入諧波的幾率降低近零。
關(guān)于變頻裝置，特別是大型電動(dòng)機(jī)組的變頻裝置應(yīng)用中向電網(wǎng)注入諧波分量應(yīng)按國(guó)家《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》管理標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93嚴(yán)格執(zhí)行，特殊情況還需另行規(guī)定。變頻器選用中，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)短路容量的實(shí)際值進(jìn)行相應(yīng)的諧波量核算，以保證電網(wǎng)和周?chē)姎饪刂葡到y(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(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合功率因數(shù)補(bǔ)償協(xié)同考慮。電壓源型運(yùn)行功率因數(shù)可保證在0.95以下，不需額外補(bǔ)償裝置。電流源型變頻設(shè)備隨電機(jī)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(bǔ)償范圍，故需增加額外的補(bǔ)償設(shè)備，對(duì)大功率設(shè)備的應(yīng)用，還應(yīng)考慮補(bǔ)償量的可變化性，給工程實(shí)際運(yùn)行帶來(lái)其它相關(guān)問(wèn)題， 設(shè)計(jì)選擇應(yīng)慎重選用。
4 變頻器工程應(yīng)用中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題
（1）變頻器選擇應(yīng)用中，應(yīng)注重整體配套、包括相應(yīng)的閉環(huán)控制的檢測(cè)單元、柜上和現(xiàn)場(chǎng)操作盤(pán)（箱）。
（2）選型后的產(chǎn)品應(yīng)就調(diào)速系統(tǒng)的一般性指標(biāo)、主傳動(dòng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)、矢量控制型輔傳動(dòng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)、標(biāo)量控制型輔傳動(dòng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)、控制系統(tǒng)的可用率等方面，結(jié)合工藝技術(shù)的具體要求進(jìn)行考核，達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的各項(xiàng)要求。
（3）外圍設(shè)備，如變頻變壓器，電動(dòng)機(jī)等性能應(yīng)滿(mǎn)足變頻工況下長(zhǎng)期運(yùn)行要求、否則應(yīng)采取其它技術(shù)措施，如降容、絕緣加強(qiáng)、輔助散熱裝置等。
（4）變頻器安裝及接線(xiàn)中，應(yīng)嚴(yán)格按照產(chǎn)品安裝使用手冊(cè)進(jìn)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(yīng)予留到位，否則會(huì)直接影響變頻器的使用壽命和效率，還會(huì)造成對(duì)其它系統(tǒng)干擾現(xiàn)象。
（5）變頻裝置在條件允許情況下，應(yīng)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(cè)變頻器的各種工況。
充分發(fā)揮多臺(tái)裝置在同一系統(tǒng)中綜合應(yīng)用的潛力，達(dá)到動(dòng)態(tài)、互補(bǔ)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。
5 工程實(shí)例
蘇州新區(qū)水廠(chǎng)，設(shè)計(jì)凈水總規(guī)模30x104t/d，分兩期實(shí)施，一期15x104t/d。按新區(qū)用水量實(shí)際和發(fā)展預(yù)測(cè)，建成后的水廠(chǎng)實(shí)際日供水量4-9x104t/g，日zui小zui大供水量之比約0.35。近期預(yù)測(cè)需水量16x104t/d，遠(yuǎn)期予測(cè)需水量30x104t/d。
在送水泵房離心水泵選擇和配套電機(jī)、調(diào)速裝置的選用中，根據(jù)新區(qū)管網(wǎng)的具體特征，對(duì)一、二期工程不同供水工況和定速與調(diào)速機(jī)組臺(tái)數(shù)不同組合情況下的能耗做了如下前期計(jì)算，比較結(jié)果見(jiàn)表三

新區(qū)水廠(chǎng)配水泵不同工況不同組合能耗計(jì)算表


從上表可以看出：

　?。?）隨著流量從大到小，采用不調(diào)速時(shí)，揚(yáng)程增大，水泵效率下降，總功率增加；而有調(diào)速水泵機(jī)組的組合則揚(yáng)程減小，水泵效率基本保持在區(qū)，能耗降低，說(shuō)明采用調(diào)速水泵機(jī)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(jī)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(jì)及水泵電動(dòng)機(jī)組整體效率相對(duì)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(jì)及水泵電動(dòng)機(jī)組整體效率相對(duì)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。
　　（3）按工程施工實(shí)際情況，一期選用三臺(tái)水泵機(jī)組，正常運(yùn)行時(shí)二用一備，其中設(shè)變頻調(diào)速機(jī)組一臺(tái)；二期水泵機(jī)組增至五臺(tái)，四用一備，變頻機(jī)組二臺(tái)。變頻調(diào)速設(shè)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(jī)，單套設(shè)備投資190萬(wàn)元，若以0.64元/Kwh電費(fèi)計(jì)價(jià)，一期工程年節(jié)省電費(fèi)115萬(wàn)元，計(jì)及工程投資利息，可在二年內(nèi)基本收回變頻設(shè)備投資；按二期工程變頻實(shí)施方案，年節(jié)省電費(fèi)194萬(wàn)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(jī)組在試驗(yàn)和運(yùn)行中達(dá)到預(yù)期目的，諧波分量在10KV直配電系統(tǒng)中（10KV進(jìn)線(xiàn)處，Smin=69MVA）*電力系統(tǒng)諧波管理規(guī)定中的各項(xiàng)要求。

　　6 結(jié)論

　?。?）變頻器在凈水廠(chǎng)中的應(yīng)用，應(yīng)結(jié)合各工藝流程的具體特征，進(jìn)行多方案比較選擇，做到目的明確，方法得當(dāng)。
　?。?）選用新工藝、新技術(shù)基礎(chǔ)上生產(chǎn)制造的成套產(chǎn)品，為裝置長(zhǎng)期安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行創(chuàng)造條件。
　?。?）嚴(yán)格按照定型產(chǎn)品的安裝使用技術(shù)準(zhǔn)則使用，避免因應(yīng)用不當(dāng)造成額外的經(jīng)濟(jì)損失。
　?。?）外圍設(shè)備的選型應(yīng)滿(mǎn)足變頻工況下長(zhǎng)期運(yùn)行要求，與系統(tǒng)有關(guān)的問(wèn)題，如功率因數(shù)補(bǔ)償、諧波的抑制、屏蔽抗干擾措施，應(yīng)在工程設(shè)計(jì)施工中完善。