变频调速是供水系统节能的最佳选择

摘　　要: 　　从供水系统特点出发，分析了几种调流技术的实际效果，论述了水工业领域调速节能的必要性，同时指出采用变频调速是节能的最佳选择。实践是检验各种调速节能高新技术优劣的唯一标准，理论问题已解决了，现在要加强各行业实践中的应用研究。 关 键 词: 　　水工业领域 调速技术 节能 优化策略 Abstract: In terms of the characteristics of water supply system, the article analyses some practical effect of the frequency conversion speed control technique, and it discusses the essentiality of speed control technique and the energy-saving in water industry field. It also indicates that the frequency conversion speed control technique is the best way of energy-saving. The practice is the only standard to proving whether speed control and energy-saving is good or not. Now the theory being resolved, we should enhance the practice research in all fields. Keywords: Water industry field Frequency conversion speed control technique Energy-saving Optimize strategy 1 引言 　　由于全国各省市城镇化建设的飞速发展，近年来出现严重缺电缺水现象。许多城市出现限电限水现象。国家出巨资进行大规模的给水排水工程建设。据统计及预测, 全国城市缺水2000×104m3/d，排放污水量约1×108m3/d，我国每年新建扩建的水厂近600×104m3/d，污水处理厂的处理能力将达到700×104m3/d左右。建好管好给水厂和污水处理厂是缓解水工业与现代化城镇建设的矛盾，是关系到国计民生的重要课题。在给排水工程的建设和管理运行中，设备运行管理费用很高，其中水厂的电耗约占50％。综观给水排水行业绝大多数是老企业，设备陈旧，供电设备老化，自动化水平低下，药耗严重，先进控制技术极少采用。近几年，新上的给排水厂自动化水平高些，也采用了一些先进控制技术，也组建了一些优化调速的综合自动化监控系统。但大多数新建的FCS、DCS、PLC监控系统也不能进行网络化监控，造成许多资源的消费。有许多厂站存在先天性的缺陷，变电站位置不合理，配电电缆太多太长，变压器等设备选择不合理，特别是水泵机组选择不合理，工艺流程总体布局不合理，使给水排水系统的电耗居高不下。给排水厂运行管理，应从工艺流程及其配套用电设备的变配电系统的综合设计系统、加药系统、水泵机组系统的三方向进行重点研究，要制定每吨水的综合制造单位电耗和药耗标准，即从每吨水的投资到运行的最佳的代价做文章。在这里，单就水泵机组的最佳节能技术在实际中的选择进行分析和研究。 2 城市供水系统特点 2.1 城市供水系统工况特点 　　一个城市的供水系统特点，就是多水源、多泵站、多水厂、多管网、变化大。一年之中，随季节而变的日变化，一日之内又随时间而变化的时变化。进水水质和流量也是非线性的在变化。设计中一般均以高日高时为设计点，表面上看已满足了供水需求，但实际上大部分系统均不能满足实际的水变化。一个供水系统，一个水厂的综合水泵扬程是由几何高差和管道摩阻变化所组成。几何高差是不变的，而管道摩阻是随流量的平方而变化。当输配水管道距离长而选的几何高差较小时，管道小时，管道摩阻在扬程中所占比重就增大;而在后半夜或所需供水量极小时，配水扬程就变得很低，将使水泵的工作点远离高效区。 2.2 供水系统变化系数 　　(1) 日变化系数Kd最高日用水量与年平均日用水量之比叫高日系数Kd1，而低日系数为当日最低用水量与年平均用水量之比Kd2。一般Kd1在1.2至1.5之间，为了宏观定性分析，取K_d1=1.4, K_d2=0.6。 　　(2) 时变化系数Kh高时系数Kh1:最高小时用水量与日平均小时用水量之比; Kh1在1.3至1.6之间，一般取1.4;低时系数Kh2≈0.5左右。 2.3 总的综合扬程流量变化 　　(1) 取水厂站流量变化:一般，取水厂站选泵的扬程按每年最大流量，每年最低水位来考虑，其流量变化系数为: K_Q=K_d1/K_d2=1.4/0.6=2.33水泵工作扬程：H＝H_h＋H_f＝H_h＋CQ² （1） 　　Hh为几何高差, 一般不变化;Hf=CQ2为管道摩阻水头。摩阻水头变化H_fmax/ H_fmin= K_d1²/ K_d2²=5.4 实际上每年最低水位机率很小, 每年绝大多数时间均高于这个低水位, 所选泵的扬程长期不能运转在高效率区域内。 　　(2) 净配水厂站流量变化用水的高峰季节，在分压供水系统中要增加供水管网的压力，就要调节管网的供水量，按最大供水量、最高管网压力来选择配水泵及台数。 配水系统流量变化是:可K_j= K_d1* K_k1/ K_d2 K_k2=1.4*1.4/0.6*0.5=6.53 　　由此可见，流量变化是很大的，配水泵站比取水厂站的流量变化更大，这说明水工业领域必须考虑调流的主要原因。也说明水泵机组优化调速节能的潜力巨大。 3 变频调速是各种调流方式的最佳选择 　　水泵的特性曲线有Q-H，Q-P，Q-η，Q-G管道特性曲线。见图1。它们分别表示流量与扬程、流量与轴功率、流量与效率、流量与管道摩阻特性之间的关系。 图1 水泵不同调速方式运行工况图 　　(1) 用水量总是变化的, 当用水量减小时, 如果水泵正常运行，则系统压力将增高。当流量减小到75％和50％时，它们的变化是:用水量减小时, 系统压力憋高，而Hf将加大，Q-G曲线平移到Q′-G′，Q″-G″曲线上，它们与Q-H曲线交点为A′和A″点，由曲线可知，水泵的工作效率降低了，大量水头损失掉了，漏水量也将大大增加。 　　(2) 为了使水泵工作效率仍保持在高效区, 采用关小出水闸阀的角度来调流, 此时，水头损失全浪费在闸阀上。 　　(3) 为了适应流量的变化, 可改变水泵运转台数和组合,此时，水泵的工作点将运转在低效率上，大量的能源将浪费在管道的水头损失上。 　　(4) 采用变频调速来适应流量变化 (1)　　Q/Q′/Q″＝n/n′/n″ (2) H/H′/H″＝n2/n′2/n″2 (3) P/P′/P″＝n3/n′3/n″3 (4) n＝60f(1-s)/p (5)其中:n为转子实际转速; S为电机转差率; f为定子频率; P为电机极对数; Q为综合流量; H为水泵扬程; P为电机功率。 　　如果选用变频调速，就是通过改变定子频率，来改变异步电动机转子的实际转速，同时，又要满足电动机转矩的要求，达到水泵运转在高效率区域内。 　　速度改变了，水泵的流量、扬程、功率都随着改变。优化了整个工艺流程运转条件，消除了水锤破坏的事件。 　　从公式(2)(3)(4)(5)可知，当流量减小到75％和50％时，Q-H曲线变成Q′-H′、Q″-H″曲线，其效率曲线由Q－η变成Q′-η′和Q″-η″, 水泵效率(B、B′、B″)基本不变，还在高效区域内，而水泵所需的轴功率也减小了。转速下降了，水头损失不存在，其工作效率却很高。另方面，水泵组合的扬程处处能与管道综合的系统阻力相适应，始终保持管网末稍的压力稳定。当采用液力耦合器或电磁滑差离合器来调速，改变流量，均有一定的节能效果，但转差功率损失了，低速时损耗更大，效率更低;当采用串级调速技术时，无论采用外串还是内馈，需增设起动电阻和电容补偿，功率因数低，低速时更低。 4 实例分析 　　上世纪80年代，我院承担的百万吨大规模的北京市第九水厂设计中，从工艺流程到变配电设备选型，不是按最高日最高时的流量和其对应的压力为工作点来选不同容量水泵和水泵组合;而是在满足最大设计水量的基础上，尽量使调速高效特性曲线接近系统的特性曲线，也就是说，尽量将各种调速泵组合的高效区能套入出现机率最高的工作段或点上。调速泵台数，应在全年内运行工况中开泵出现次数最多的台数为需要的台数，而备用泵选用定速泵，如图2所示。 图2 九厂配水泵特性曲线 　　先看取水泵站。取水泵站的各种台数组合的高效中心线，均在系统特性曲线的左侧。在设计运转台数时，应将高效中心线包入最大流量点的曲线段，曲线向右下方移动，流量加大而扬程降低，使其与4台泵运转的系统特性曲线重合或靠近，水泵综合运转效率就会更高。从系统分析看，水泵同时运转4台为最经济，考虑分期建设，第一期选用两台容量最大的水泵调速将更经济合理。 　　再看配水厂站配置。从电算可知，首期2台泵运转出现机率最高，其次为3台，同时各种台数组合的高效区均能包入高日高时流量的基础上向右下方移动，见图2。加大额定流量降低额定扬程，使配水泵综合的高效中心线介于两、三台水泵运转时系统特性曲线之间，二期后同时运转需要4台，再考虑日变时变率，运转泵均为调速泵比较合理。当一台调速泵有故障时，三调一定运转，其综合效率降低一点，而工作扬程还是较高。所以，备用泵选用定速泵比较经济合理。只上一台机组，既增加了投资，又无实际意义。 　　只从理论上研究单台水泵机组调速并不能解决任何实践需要，这种学究式的理论研究是没有任何意义的事情。 5 供水系统选用变频调速技术应注意的问题 5.1 供水系统可选的几种变频调速技术 　　从上世纪80年