北京地區(qū)供水系統(tǒng)變頻調(diào)速應(yīng)用例分析

1  引言
　　隨著電力電子器件向大功率化、高頻化、模塊化、智能化方向發(fā)展，極大地促進(jìn)了變頻調(diào)速整機(jī)系統(tǒng)性能的提高，變頻器整機(jī)的控制性能、自診斷和自保護(hù)功能越來越強(qiáng)。在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，加入微處理器、單片機(jī)、PLC構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)功能更強(qiáng)。各種功率水平、價(jià)格檔次且性能上各具特點(diǎn)的變頻器廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。在城市供水系統(tǒng)中，使用變頻調(diào)速技術(shù)，在提高供水質(zhì)量及優(yōu)化供水系統(tǒng)性能的同時(shí)，節(jié)電效果可觀。下面就北京局部地區(qū)的小區(qū)、飯店供水系統(tǒng)的變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用例給予介紹和分析。

2  某小區(qū)熱水供暖系統(tǒng)一次網(wǎng)中調(diào)速供水應(yīng)用例
　　北京育新花園小區(qū)熱水供暖系統(tǒng)一次網(wǎng)采用3臺(tái)ISB200/150-400-50A型水泵，其中1臺(tái)備用。根據(jù)系統(tǒng)一次網(wǎng)的設(shè)計(jì)流量，采用1臺(tái)水泵即可滿足系統(tǒng)的正常使用要求。熱水供暖系統(tǒng)一次網(wǎng)為實(shí)現(xiàn)在室外溫度變化時(shí)，循環(huán)水泵保持在最佳流量工況下運(yùn)行的目標(biāo)，系統(tǒng)一次網(wǎng)的循環(huán)流量應(yīng)隨著系統(tǒng)熱負(fù)荷的變化而動(dòng)態(tài)調(diào)整。對(duì)小區(qū)熱水供暖系統(tǒng)一次網(wǎng)采用“質(zhì)量-流量?jī)?yōu)化調(diào)節(jié)”，對(duì)應(yīng)不同的熱負(fù)荷，系統(tǒng)循環(huán)水量在整個(gè)采暖季的分布情況和調(diào)節(jié)情況對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1。
　　表1中數(shù)據(jù)表明:系統(tǒng)一次網(wǎng)在流量為159t/h和300t/h的工況下運(yùn)行的時(shí)間較多，大約各占700個(gè)小時(shí);而流量小于150t/h和大于400t/h的工況運(yùn)行時(shí)間較少，大約各占80個(gè)小時(shí)。用變頻器驅(qū)動(dòng)水泵電機(jī)，進(jìn)行質(zhì)量-流量?jī)?yōu)化調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)供暖系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。
　　表1中的數(shù)據(jù)給出了熱水供暖系統(tǒng)一次網(wǎng)中在不同的循環(huán)水量狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，傳統(tǒng)的循環(huán)水泵閥門調(diào)節(jié)和變頻調(diào)速調(diào)節(jié)的軸功率對(duì)比。電價(jià)以0.6元/kWh計(jì)算，系統(tǒng)一次網(wǎng)循環(huán)水泵在一個(gè)采暖季里，采用閥門調(diào)節(jié)流量，運(yùn)行電耗費(fèi)用:123，9022×0.6=7.4萬元(人民幣);采用變頻調(diào)速方式，運(yùn)行電費(fèi)支出:43，040×0.6=2.6萬元。一個(gè)采暖季中，小區(qū)熱水供暖系統(tǒng)一次網(wǎng)循環(huán)水泵使用變頻調(diào)速方式可減少電耗80，802kWh，節(jié)省費(fèi)用4.8萬元。
　　市場(chǎng)上變頻器的價(jià)格大約在800～900元/kW，ISB200/150-400-50A型水泵的功率為75 kW，循環(huán)水泵配用變頻調(diào)速設(shè)備使用投資大約為元6萬元左右，從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上看，不到兩個(gè)采暖季就可收回投資。
   
3  某飯店供水系統(tǒng)應(yīng)用例
　　北京西直門外地區(qū)某飯店的供水系統(tǒng)原來由3臺(tái)泵組成，每臺(tái)泵的出水管均裝有手動(dòng)閥門，供檢修和調(diào)節(jié)水量用。經(jīng)變頻調(diào)速改造后，新系統(tǒng)中除了有變頻器以外，還有反映管網(wǎng)壓力的壓力傳感器和電接點(diǎn)壓力表及信號(hào)放大系統(tǒng)，還有實(shí)現(xiàn)邏輯控制的PLC。PLC控制3臺(tái)水泵的啟動(dòng)和停止，壓力傳感器為變頻器提供了反饋量，并和變頻器組成了壓力閉環(huán)系統(tǒng)，使系統(tǒng)始終在恒壓狀態(tài)工作。電接點(diǎn)壓力表用來檢測(cè)管路的最小壓力。
　　新系統(tǒng)中，一臺(tái)變頻器循環(huán)啟動(dòng)3臺(tái)泵，1號(hào)、2號(hào)泵的功率是15kW, 3號(hào)泵為11kW。經(jīng)測(cè)算1號(hào)泵或2號(hào)泵全力工作一般就會(huì)滿足整個(gè)系統(tǒng)的最大用水量，3號(hào)泵是備用泵。白天供水投入1號(hào)泵，使它工作在變頻調(diào)速狀態(tài)，構(gòu)成壓力閉環(huán)系統(tǒng)。但為了均衡水泵的使用壽命，采用定時(shí)換泵的方式8小時(shí)輪換一個(gè)班次，即8小時(shí)后，2號(hào)泵工作運(yùn)行，1號(hào)泵轉(zhuǎn)為備用，循環(huán)使用。當(dāng)夜間供水量減小，或這兩臺(tái)泵處于檢修狀態(tài)時(shí)，3號(hào)泵啟動(dòng)并變頻運(yùn)行和維持恒壓。
　　系統(tǒng)采用了富士變頻器FRN15P11S-4CX，容量23kVA，額定電流30A，頻率變動(dòng)范圍0～120Hz，1號(hào)和2號(hào)泵的型號(hào)為80DL50-20×3額定電壓380V，額定電流30A，額定轉(zhuǎn)速1450rpm。3號(hào)泵的型號(hào)為65LG3620×3，是立式多級(jí)分段式離心泵。由于變頻器在任何一個(gè)確定的時(shí)間只驅(qū)動(dòng)一臺(tái)泵的拖動(dòng)電機(jī)，故3臺(tái)泵的啟動(dòng)、停止采用邏輯控制實(shí)現(xiàn)相互閉鎖，保證可靠切換。為確保控制要求的實(shí)現(xiàn)，將3臺(tái)電機(jī)所有的控制、保護(hù)、檢測(cè)單元全部集中在一個(gè)控制柜里。
　　表2給出1臺(tái)15kW的水泵分別在定速和變速情況下運(yùn)行測(cè)得的數(shù)據(jù)。
　　從表2中數(shù)據(jù)對(duì)比知道，水泵變頻運(yùn)行后:
　　電源電壓下降了63%， 電機(jī)定子電流下降41.3%
　　電源頻率下降12%， 功率因數(shù)提高3.1%
　　流量減少4% 水壓降低7.7%
　　轉(zhuǎn)速下降8.9%

　　使用計(jì)算調(diào)速前后的功率之比，式中p為有功功率，U1、I1分別為電機(jī)定子線電壓和線電流。
　　工頻運(yùn)行時(shí)有:;
　　變頻運(yùn)行時(shí)有:。功率差p1-pB=8.22(kW)。每年360個(gè)工作日，每個(gè)工作日平均工作16個(gè)小時(shí)，可節(jié)約電能w=(p1-pB)×16×360=47347.2(kWh)，電價(jià)按0.6元/kWh計(jì)算，每年可節(jié)約電費(fèi)支出2.84萬元。而購買變頻設(shè)備的費(fèi)用是2萬多元，從分析知道，1年便可以回收設(shè)備投資。
　　表2  1臺(tái)15kW的水泵變頻調(diào)速前后各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比

4  水泵變頻調(diào)速的綜合結(jié)果
　　從以上某小區(qū)熱水供暖系統(tǒng)一次網(wǎng)中調(diào)速供水和飯店供水系統(tǒng)應(yīng)用例中知道:水泵經(jīng)變
　　頻調(diào)速以后，除了具有很好的節(jié)能效果外，在以下性能指標(biāo)上獲得了提高:
　　(1) 實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng);工作電流下降，電機(jī)運(yùn)行溫度明顯下降，同時(shí)減少了機(jī)械磨損，機(jī)械檢修工作量也大幅減少。
　　(2) 各種保護(hù)功能完善，沒有再發(fā)生因過載、單相運(yùn)行而燒毀電機(jī)的現(xiàn)象，確保了安全運(yùn)行。
　　(3) 實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，避免了無調(diào)速水泵啟動(dòng)對(duì)周邊設(shè)備及電網(wǎng)的沖擊。
　　(4) 能自動(dòng)維持恒壓供水并無級(jí)調(diào)節(jié)水壓;供水質(zhì)量好，由于取消了高位水箱，防止了水的二次污染。
　　(5)自動(dòng)化程度提高，提高了水泵的運(yùn)行效率。

5  結(jié)語
　　根據(jù)調(diào)查資料顯示，北京地區(qū)的供水系統(tǒng)應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)有一定的普及程度，但還有
　　很大潛力，繼續(xù)在北京地區(qū)的供水系統(tǒng)中普及應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益是明顯的，技術(shù)優(yōu)勢(shì)也是明顯的，尤其是具有較大幅度的節(jié)能效果。但同時(shí)也有一些問題，如:變頻恒壓供水系統(tǒng)停電既停水。另外變頻器工作產(chǎn)生的高次諧波對(duì)電網(wǎng)電壓有一定影響，尤其是電網(wǎng)有效容量越小，變頻器容量越大，影響程度就越大，這種影響會(huì)使電力電容、電抗器、變壓器容易發(fā)熱，并產(chǎn)生電磁諧振，電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)產(chǎn)生附加損耗，繼電器產(chǎn)生誤動(dòng)作。我國(guó)的GB12668-90中規(guī)定:電氣設(shè)備使用時(shí)，引起的電壓畸變率要小于10%，任何奇次諧波不超過5%，偶次諧波不超過2%，使用變頻器后，在電網(wǎng)局部地區(qū)可能會(huì)出現(xiàn)電壓畸變超出國(guó)標(biāo)的情況，宜采取相應(yīng)的措施處理。

參考文獻(xiàn)
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