摘 要：吉林市自來水公司第三水廠擴建后，在可以預見的十年內，水廠供水能力必然有較大的冗余量。采用高壓變頻調速，能夠滿足未來十年供水量的頻繁變化與調節(jié)，確保供水的實效性與經(jīng)濟性兩個指標的有效統(tǒng)一，實現(xiàn)了高效節(jié)能環(huán)保與穩(wěn)定生產(chǎn)的可控動態(tài)平衡。
關鍵詞：高壓變頻器 高效節(jié)能環(huán)保
隨著人口的增長和經(jīng)濟的發(fā)展，吉林市自來水公司第三水廠在原有十萬噸日供水能力的基礎上，擴建至二十萬噸，以適應吉林市未來十年或更長時間經(jīng)濟社會人口的發(fā)展水平。取水泵房原配備的355kW/10kV水泵4臺以及供水泵房配備的560kW/10kV水泵3臺，全部定速運行，由于日夜供水差異較大，需要調節(jié)閥門開度或倒開大小水泵。這樣水泵頻繁啟停帶來的沖擊，會引起電機、水泵、閥門故障率增加，維修費用加大，同時對管網(wǎng)也有很大沖擊。因此采用傳統(tǒng)調節(jié)閥門開度控制流量和壓力的方式，必然會造成大量能源浪費。通過綜合調研，我公司決定對新擴建部分采用利德華福生產(chǎn)的大功率變頻器進行自來水流量及出廠水的恒壓控制，從而實現(xiàn)降低能耗、節(jié)約成本、提高供水質量，達到自動化水廠的生產(chǎn)需求。
一、自來水生產(chǎn)工藝流程介紹
現(xiàn)將自來水廠水處理工藝流程簡述如下：
圖1：自來水廠水處理工藝流程
首先要選好合適的水源和取水口，用管道輸送至一級泵房（取水泵房）并在一級泵房前加氯以殺滅藻類、植物和貝類動物。再通過一級泵房將水送至廠內處理系統(tǒng)中。通常經(jīng)過混合（在水源水中加入適量的氯化鋁，俗稱礬）、反應、沉淀、過濾、消毒等處理工藝，每一工藝配以相應的構筑物（如沉淀池、濾池、清水池等），濾后消毒一般是加氯和氨，投加了消毒劑的水經(jīng)清水池、并在池內停留一小時左右就成為合格的飲用水，再經(jīng)過二級泵房（供水泵房）加壓輸送到城市管網(wǎng)中，供生活飲用和生產(chǎn)使用。
二、高壓變頻器的應用方案
根據(jù)我公司在城市供水行業(yè)實際應用的成功經(jīng)驗，為確保供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟性，供水泵560kW/10kV選用HARSVERT-A10/045帶手動一拖二旁路的變頻器。它采用直接“高-高”形式，單元串聯(lián)多電平拓撲結構，每相由8個功率模塊串聯(lián)而成，經(jīng)過多級移相疊加的整流方式，消除了大部分由獨立功率模塊引起的諧波電流，大大改善網(wǎng)側的電流波形，實際測量后網(wǎng)側電流近似為正弦波，不用更換原來的電機和電纜，完全適合舊設備的改造。取水泵355kW/10kV選用HARSVERT-A10/030原設計采用一拖一運行方式，經(jīng)過半年多運行來看，取水開一臺變頻機組就能滿足工況要求，另外考慮取水泵定期倒車只能開工頻機組，所以我公司決定將原有一拖一運行方式改為一拖二運行方式，這樣兩臺變頻機組就可以交替運行，非常經(jīng)濟。
下面是一拖二手動旁路的基本原理（見圖2），它是由六個高壓隔離開關QS1-QS6組成。其中QS1和QS4,QS2和QS5有電氣互鎖；QS2和QS3,QS5和QS6安裝機械互鎖裝置。
圖2：一拖二手動旁路柜原理圖
如果兩路電源同時供電，M1工作在變頻狀態(tài)，M2工作在工頻狀態(tài)時，QS3和QS4、QS5分閘，QS1、QS2和QS6處于合閘狀態(tài)；M2工作在變頻狀態(tài)，M1工作在工頻狀態(tài)時，QS1和QS2、QS6分閘，QS3、QS4和QS5處于合閘狀態(tài)；如果檢修變頻器，QS3和QS6可以處于任一狀態(tài)，其它隔離開關都分閘，兩臺負載可以同時工頻運行；當一路電源檢修時，可以通過分合隔離開關使任一電機變頻運行。
三、恒壓供水系統(tǒng)原理
由于吉林市自來水公司第三水廠是新擴建工程，用水負荷需要在實際運行時進行精確調整和測量，因此我廠采用的是恒壓供水系統(tǒng)，其工作原理如圖3所示,測量元件為德國E+H公司的壓力傳感器，將它設在水泵機組出水口，Vi為恒定供水壓力設定值，供水壓力V作為輸出量，構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器內部的PLC采集供水壓力值V與用戶給定值Vi進行比較和運算，通過PID進行調整，將結果轉換為頻率調節(jié)信號送至變頻器，直至達到供水壓力的給定值Vi。不管系統(tǒng)供水流量如何變化，供水壓力值V始終維持在給定壓力值Vi附近。
圖3：恒壓供水系統(tǒng)工作原理框圖
(1)在PID控制中，比例增益P加大，會使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，P偏大，振蕩
次數(shù)加多，調節(jié)時間加長。當P太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。若P太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢；
(2)積分I的作用主要是消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。但過強的積分作用使供水系統(tǒng)超調加大，甚至引起振蕩。所以在調節(jié)過程初期，應減弱積分作用，防止產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象；而到過程后期，應適當增強積分作用，以提高控制精度；
(3)微分D的作用主要是改善供水系統(tǒng)的動態(tài)性能。增大微分時間，有利于加快系統(tǒng)響應，使系統(tǒng)超調量減小，穩(wěn)定性增加，但抑制外擾能力下降。所以微分時間常數(shù)應該在供水系統(tǒng)控制要求的前提下而隨機改變。即在調節(jié)過程初期，應加大微分的作用，以減小超調；在調節(jié)過程中、后期，應不斷減小微分時間，以增強系統(tǒng)的抗干擾能力，同時還可以縮短調節(jié)時間。
我廠變頻器在運行初期，供水系統(tǒng)采用恒壓閉環(huán)控制，運行中發(fā)現(xiàn)運行頻率曲線呈鋸齒波，上下波動幅度較大，因此對PID系數(shù)進行調整，將P由1改為0.01、I由4改為20。通過幾次逐步調整，現(xiàn)運行曲線較為平緩，波動幅度相當小。變頻器根據(jù)偏差相應調節(jié)PID的參數(shù)，當運行參數(shù)遠離目標參數(shù)時，調節(jié)幅度加快，隨著偏差的逐步接近，跟蹤的幅度逐漸減小，近似相等時，系統(tǒng)達到一個動態(tài)平衡，維持供水系統(tǒng)的恒壓穩(wěn)定狀態(tài)。
四、變頻器的運行情況：
三水廠取水泵采用開環(huán)運行方式，根據(jù)清水池水位手動調節(jié)頻率，一般頻率運行在38Hz-45Hz之間。
三水廠供水泵采用閉環(huán)運行方式，運行參數(shù)如下：
通過測試發(fā)現(xiàn)變頻器運行在37Hz及以下機泵不出水，所以我們把最低頻率限制在38Hz。在日常運行中，早上4點加開一臺工頻機組，當變頻器頻率達39Hz左右，關閉工頻機組，只運行一臺變頻器；在下午16點用水高峰時，再加開工頻機組。這樣合理開關車既滿足了出廠水壓力，同時又節(jié)約了大量能源。
五、系統(tǒng)應用效果：
水泵電機采用高壓變頻器進行調速運行后，在有效的調速區(qū)段內運行十分平穩(wěn)，與原來全部工頻電機運行相比，由于變頻器對電機實現(xiàn)了柔性啟動，啟動電流大大減小，對機組沒有任何沖擊，相應延長了設備的使用壽命，大大減輕了維護工作量，減少了維護成本。
變頻器有效的水壓閉環(huán)控制功能，使水壓調節(jié)平滑可靠，轉速無波動。電機與多功能閥門聯(lián)動，只要給定頻率，電機啟動，多功能閥自動開啟，使得開關機組變得簡單。
變頻器投入運行后，由于電網(wǎng)側功率因數(shù)提高到0.96以上，在各種負荷下，電網(wǎng)側電流大大下降，電機的無功電流由變頻器直接補償。
節(jié)能方面，我廠進行了測試：在同種工況下，采用單臺機組電度表分別計量的方式，單臺機組節(jié)電率達32%，這么高的節(jié)電率加上合理開關機組，我廠每年將節(jié)電100萬元。
三水廠取水、送水變頻器正式投產(chǎn)以來至今，連續(xù)運行近兩年，為水廠正常供水提供了強有利的保障。HARSVERT-A變頻器具有免維護的特點，只需每個月更換柜門上的濾網(wǎng)。變頻器的應用降低了系統(tǒng)對管路密封性能的破壞，延長了設備的使用，同時維護量減小很多，提高了系統(tǒng)的自動化程度，節(jié)約了大量電能和水資源，切實響應了國家節(jié)能降耗的號召。
參考文獻
[1].高壓變頻調速系統(tǒng)HARSVERT-A系列技術手冊 北京利德華福電氣技術有限公司
[2].諸 靜.模糊控制原理與應用.機械工業(yè)出版社，1995，P338～355.
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