摘? 要： 根據(jù)原單位南區(qū)供水系統(tǒng)改造的實例，從系統(tǒng)結構分析、節(jié)能原理、控制方式、系統(tǒng)設計及變頻調速后的節(jié)能效果等幾個方面，介紹了變頻調速技術在供水系統(tǒng)中的應用。
??? 關鍵詞： 變頻技術；供水系統(tǒng)；揚程；流量；MicroMaster430
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筆者原所在單位是一個擁有5 000多職工的國有企業(yè)，近一萬人的飲用水全靠后山頂上的水塔供給，這樣的供水系統(tǒng)往往使系統(tǒng)里的水壓不恒定，而且水塔會引起二次污染。2003年企業(yè)倒閉后，小區(qū)修建了水泵房，其控制方式是：根據(jù)用水量調節(jié)開停泵數(shù)量，壓力偏小時加泵，壓力偏高時減泵，而且完全由人工手動控制。這樣的操作和管理方式落后，無法建立嚴格的科學管理體制，設備運行不合理，維修量大，能耗高，機械磨損也較大。
眾所周知，電力負載中風機和泵類負載的用電量約占總用電量的60%～70%。向這類負載供電的突出矛盾表現(xiàn)在：電網(wǎng)負荷率偏低，電力系統(tǒng)峰谷差很大，高峰電力往往嚴重不足。因此風機和泵類的節(jié)能問題就顯得尤為重要。為了提高能源的利用率，且考慮到幾千的下崗職工生活都很艱難，2007年組成了一個四人設計改造小組，準備將南區(qū)的水泵房改用變頻調速恒壓供水控制系統(tǒng)。2008年7月正式投入使用。
1 系統(tǒng)簡介
1.1 恒壓供水系統(tǒng)分析
恒壓供水是指在供水網(wǎng)系中用水量發(fā)生變化時，出口壓力保持不變的供水方式。這樣既可以滿足各個部位的用戶對水的需求，又不使電機空轉，造成能量浪費。而系統(tǒng)中，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對象，而供水量的大小取決于揚程，但揚程難以進行具體測量和控制。為了實現(xiàn)上述目標，需要變頻器根據(jù)給定壓力信號和反饋壓力信號調節(jié)水泵轉速，從而達到控制管網(wǎng)中水壓恒定的目的。
水泵運行工作點位置與水泵負載有關，在水泵負載經常變化的情況下，水泵不能總處在高效區(qū)域中工作。為使水泵適應外界負載變化的要求，可采用變速調節(jié)，即在管網(wǎng)特性曲線基本不變時，采用改變水泵轉速來改變泵的Q-H特性曲線[1]，從而改變它的工作點，達到既改變流量又能保證水泵恒定和輸入功率減少的目的。系統(tǒng)變速運行圖如圖1所示。
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圖1中，橫坐標為水泵流量Q，縱坐標為水泵揚程H。泵的揚程和出水壓力是線性關系，因此可以近似表示為出水壓力P。EA是恒壓線，n1、n2、n3是不同轉速下的流量／壓力特性?？梢娫趎1轉速下，如果通過控制閥門的開度，使流量從Qa減少到Qc時，壓力將沿n1曲線升高到D點。所以，在流量減少的同時，提高了壓力。如果從轉速n1降低到n3，則流量沿著恒壓力線從Qa減少到Qc時，而壓力沒變?？梢姡谝欢ǚ秶鷥?，可以在保持出水壓力恒定的前提下，通過改變轉速來調節(jié)流量，并且沒有壓力升高帶來的損失。這種特性表明，調節(jié)水泵轉速，改變出水流量，使壓力穩(wěn)定在恒壓線上，就能夠完成流體的恒壓供水。
1.2 變頻恒壓供水的構成
整個系統(tǒng)采用一臺變頻器控制水泵電動機，一主兩輔供水系統(tǒng)，如圖2所示。實際揚程HA＝30 m，要求供水壓力保持在0.5 MPa，壓力變送器的量程是0～1 MPa。原主泵電動機為25 kW、45.5 A、1 470 r/min；輔泵電動機為5.5 kW、11.6 A、1 440 r/min?，F(xiàn)將主泵電動機由變頻器控制，輔泵電動機直接接到工頻電源上。
為了完成特定的控制任務，對每一種驅動裝置都有特定的控制要求。對變頻器驅動裝置的要求是能夠方便和靈活地實現(xiàn)各式各樣應用系統(tǒng)的控制特性。MicroMaster430變頻器具有模塊式結構設計，它通過調節(jié)速度來控制水泵的流量，取代了傳統(tǒng)的用閥門和擋板截流控制的解決方案，進而節(jié)約了大量的能源。而且它具有以下功能：線性v/f控制，并帶有增強電機動態(tài)響應和控制特性的磁通電流控制(FCC)，多點v/f控制；內置PID控制器；快速電流限制，防止運行中不應有的跳閘；多泵切換。它完全能夠滿足應用系統(tǒng)控制靈活性的要求。這種變頻器的特點是能源的利用效率高，有較多的輸入和輸出端子，而且對操作面板進行了優(yōu)化，便于手動操作方式和自動操作方式之間的切換。因此配用西門子MM430系列、29 kW(適配電動機為25 kW)、45 A的變頻器控制主泵電動機。
圖3為系統(tǒng)方框圖[2]，圖中水泵電機是輸出環(huán)節(jié)，轉速由變頻器控制，實現(xiàn)變流量恒壓控制。MicroMaster430接收給定和反饋信號后經過PID調節(jié)，輸出運轉頻率指令。壓力傳感器檢測管網(wǎng)出水壓力，并將其轉變?yōu)樽冾l器可接收的模擬信號進行調節(jié)。
控制系統(tǒng)的工作原理：變頻調速恒壓供水控制最終是通過調節(jié)水泵的轉速來實現(xiàn)的，水泵是供水的執(zhí)行單元，通過調速能實現(xiàn)水壓恒定是由水泵特性來決定的。
1.3 系統(tǒng)節(jié)能調節(jié)方法
1．3.1 調節(jié)流量的方法
如圖4所示，曲線1是閥門全部打開時，供水系統(tǒng)的阻力特性；曲線2是額定轉速時，泵的揚程特性。此時供水系統(tǒng)的工作點為A，流量為Qa，揚程為Ha，電動機的軸功率與面積0-Qa-A-Ha-0成正比。如果要將流量減少為Qb主要的調節(jié)方法有兩種：
(1)傳統(tǒng)的方法是電動機(和水泵)的轉速保持不變，將閥門關小，這時阻力特性如曲線3所示，工作點移至B點：流量為Qb，揚程為Hb，電動機的軸功率與面積0-Qb-B-Hb-0成正比。
(2)閥門的開度不變，降低電動機(和水泵)的轉速，這時揚程特性曲線如曲線4所示：工作點移至C點，流量仍為Qb，但揚程為Hc，電動機的軸功率與面積0-Qb-C-Hc-0成正比。
1.3.2 兩種調節(jié)流量方法的比較
水泵在改變轉速時，其內部幾何尺寸并沒有改變，根據(jù)水泵的相似原理[3]可知：變速前后流量、揚程、功率與轉速之間關系為：
式中P1、H1、Q1為轉速n1時的功率、揚程、流量；P2、H2、Q2為轉速n2時的功率、揚程、流量。
當速度變化時，流量與轉速成正比，揚程與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的三次方成正比。從這一比例定律關系可看出：同一臺泵在轉速變化時，泵的主要性能參數(shù)將按上述比例定律變化，并且在變化過程中保持效率基本不變。由此可見，當水泵在變負荷工作情況下，采用變頻器調節(jié)水泵電機轉速時，軸功率隨轉速比的三次方關系進行變化，調節(jié)流量電動機所取用的功率將大為減少，因而是一種能夠顯著節(jié)約能源的好方法，節(jié)電效果明顯。
2 功能預置
2.1 基本功能和相關功能及保護功能預置[2]
??? 變頻調速系統(tǒng)的性能往往和生產機械并未很好地吻合，因此，針對水泵的具體情況對變頻器的各項功能進行了如下的調整，如表1所示。
2.2 轉矩提升功能設置
??? 西門子變頻器的U/f線設置[4]，如圖5所示。
3 加、減泵切換控制過程
3.1 加、減泵控制分析
??? 一主兩輔加、減泵控制分析圖如圖6所示。
3.2 功能預置[4]
??? 功能預置如表2所示。
4 經濟效果
??? (1)對水泵進行調速運行，不僅是對供水流量與壓力進行調節(jié)，而且有著非常顯著的節(jié)能效果。當變頻泵運行45 Hz時，比工頻運轉節(jié)電27％。
??? (2)變頻調速可以根據(jù)用水需求量對水泵流量進行無級調整，減少開停工頻泵的次數(shù)，減少對電網(wǎng)及水泵機械的沖擊，延長設備的使用壽命，大大減少爆管的危險，減少工程維修費用和跑水的浪費，間接節(jié)約了成本。
??? (3)系統(tǒng)運行半年多的時間了，從運行數(shù)據(jù)分析，其直接節(jié)電率在12％以上?？紤]減少維修費用，延長設備使用壽命，提高管理水平和自動化監(jiān)控能力等間接節(jié)能效率，總節(jié)能率可達18％以上。
??? 變頻調速恒壓供水控制裝置能夠極大地改善給水管網(wǎng)的供水環(huán)境，該系統(tǒng)可根據(jù)管網(wǎng)瞬間壓力變化，自動調節(jié)水泵電機的轉速和多臺水泵電機的投入及退出，使管網(wǎng)主干出口端保持在恒定的設定壓力值，整個供水系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能和運行在最佳狀態(tài)，大大提高了系統(tǒng)的自動化程度，減少了能源浪費。
參考文獻
[1] 張燕賓．變頻調速應用實踐[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2001.
[2] 西門子．西門子MM430 風機水泵負載專用變頻器使用說明．北京：西門子(中國)有限公司，2003.
[3] 呂志斗．適用廣譜變頻節(jié)能技術[M]．沈陽：遼寧科學技術出版社，2000.
[4] 石秋潔．變頻器應用基礎[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2007.