成 海

(廣西魚峰水泥股份有限公司，廣西 柳州 545008)

變頻器在供水系統(tǒng)中的節(jié)能應用

成 海

(廣西魚峰水泥股份有限公司，廣西 柳州 545008)

就供水系統(tǒng)涉及到的設計選型、系統(tǒng)設置、管路敷設及造成水泵供水系統(tǒng)高能耗的主要原因進行了介紹。系統(tǒng)設計合理，利用低壓變頻器變頻作用控制水泵電機的轉速，達到對水資源的節(jié)約和對能源的節(jié)約之目的。

節(jié)能；離心泵；變頻器；電動機

目前，魚峰水泥各生產(chǎn)線上根據(jù)電壓等級的不同，采用高壓/低壓變頻器對電機進行變頻調(diào)速，節(jié)電效果較為明顯。但企業(yè)的整個供水系統(tǒng)尚未拿出具體的實施辦法對各生產(chǎn)線循環(huán)給排水的機電設備（水泵）進行節(jié)能改造。隨著企業(yè)規(guī)模的不斷發(fā)展，我們這些從事給排水工作的工程技術人員需要在生產(chǎn)實踐中考慮，在充分滿足企業(yè)用水需求的情況下，對水資源的節(jié)約和對能源的節(jié)約。供水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速的方式其優(yōu)點有：①提升了系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)閉環(huán)恒壓控制，使節(jié)能效率進一步提高。②控制離心泵的轉速按系統(tǒng)所要求的流量或壓力的變化而改變，實現(xiàn)了電動機的軟停、軟起、避免了啟動時的電壓沖擊。③做到了資源綜合利用，符合國家提倡的節(jié)能減排方針政策，具有較好的社會效益與一定的經(jīng)濟效益。

（一）造成水泵供水系統(tǒng)高能耗的主要原因

水泵在選型設計時，考慮生產(chǎn)過程中工況的不斷變化，按所需最大功率量設計。預留較大富裕量、工效低、電耗大。正常運行時，很多情況都是在低負荷下運行,實際使用中、用水系統(tǒng)很多時間不一定能達到用水最大量，常用增加系統(tǒng)阻力來改變水量、平衡系統(tǒng)壓力；在閥門上產(chǎn)生一個很大的能量損耗，造成電機用電損失、消耗大量的電能。造成供水系統(tǒng)高能耗的主要原因綜合如下：

a.水泵及電機的本身設計效率偏低，制造工藝落后；

b.系統(tǒng)設計選型偏差大，致使水泵嚴重偏離最佳工況點運行；

c.管路系統(tǒng)設計、施工不合理，造成局部阻力偏高；水泵經(jīng)常變工況運行，通過閥門節(jié)流調(diào)節(jié)，增加了揚程損耗；

d.管路系統(tǒng)滲漏、水流旁通，增加了流量損耗；

e.運行維護管理不當，未能及時更換備件，增加了內(nèi)部泄漏損耗。

（二）水泵工作原理及節(jié)能方式探討

水泵工作原理:水泵開泵前,吸入管和泵內(nèi)必須充滿液體。開泵后，葉輪高速旋轉，其中的液體隨著葉片一起旋轉，在離心力的作用下，飛離葉輪向外射出，射出的液體在泵殼擴散室內(nèi)速度逐漸變慢，壓力逐漸增加，然后從泵出口，排出管流出。此時，在葉片中心處由于液體被甩向周圍而形成既沒有空氣又沒有液體的真空低壓區(qū)，液池中的液體在池面大氣壓的作用下，經(jīng)吸入管流入泵內(nèi)，液體就是這樣連續(xù)不斷地從液池中被抽吸上來又連續(xù)不斷地從排出管流出。

水泵流量與水泵（電機）轉速成正比，水泵揚程與水泵（電機）轉速平方成正比，水泵軸功率等于流量與揚程乘積，水泵軸功率與水泵轉速三次方成正比（水泵軸功率與供電頻率三次方成正比）。流量基本公式：流量∝轉速 揚程∝轉速2軸功率=流量＊揚程∝N3

根據(jù)上述原理可知，改變水泵轉速就可改變水泵功率。

電機的轉速決定水泵的轉速，改變水泵轉速就可改變水泵功率。將電機的供電頻率由50Hz降為40Hz，則40Hz /50Hz=（40/50）3= 0.512。P40=0.512 P50

下圖為三種流量控制方式比較、100KW三種流量控制方法測耗電比較表

流量% 變頻器軸功率KW%輸入閥門控制軸功率KW%輸出閥門控制軸功率KW% 理想軸功率KW%60 25 64 89.5 21.6 70 38 68 95 34.3 80 55 72.5 99.5 51.2 90 79 84 103.5 73 100 108 106 107 100

采用電機變頻調(diào)速的方式，控制離心泵的轉速按系統(tǒng)所要求的流量或壓力的變化而改變，實現(xiàn)了電動機的軟停、軟起、避免了啟動時的電壓沖擊，降低了對電網(wǎng)的容量要求和無功損耗。當電機在額定轉速的運行時，理論上其消耗的功率為額定功率，去除機械損耗電機銅、鐵損等影響，節(jié)能效率接近40%，同時實現(xiàn)閉環(huán)恒壓控制，使節(jié)能效率進一步提高。

（三）變頻恒壓供水設備系統(tǒng)組

1.變頻器是整個變頻恒壓供水系統(tǒng)核心部分。系統(tǒng)組成（見圖1）：

圖1 變頻器恒壓供水圖

圖 1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。變頻器接受 PID控制器信號對水泵進行速度控制，壓力傳感器檢測管網(wǎng)出水壓力，把信號傳給 PID控制器，PID控制器調(diào)節(jié)變頻器頻率來控制水泵轉速，實現(xiàn)了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2.PID控制器

（1）設反饋通道選擇VI(0～10V)，遠傳壓力表的量程范圍0～1Mpa

（2）接線：FWD與DCM閉合時變頻器啟動、MI1與DCM閉合時PID有效。（見圖2）

圖2 PID控制器調(diào)節(jié)器接線

低壓變頻器指輸入電源電壓為單相220V/三相380V的變頻器。選型首先要考慮用途，選擇通用型還是專用型，要盡量使系統(tǒng)的各種功能通過變頻器來實現(xiàn)。其次應注意與其它電氣元件的接口互聯(lián)問題，要求系統(tǒng)結構合理緊湊。專用水泵變頻器性能如下；

矢量控制：采用獨特的矢量運算控制，內(nèi)藏PID。

學習加減速：根據(jù)負荷自動調(diào)整適當?shù)募訙p速時間，使加減速時間最短。

自動節(jié)電方式：在保證輸出轉矩的前提下，比選用標準的V／f曲線節(jié)能效果更好。

電壓反饋控制：可使輸出電壓穩(wěn)定，不隨輸入電壓的變化而變化。

輸入輸出端子功能：可在數(shù)十種功能中進行可編程設定。

瞬停再啟動功能：再啟動時檢測電機旋轉方向和轉速，平穩(wěn)地再啟動。

軟失速功能：可在過載時不跳閘，降低輸出頻率繼續(xù)運轉。

瞬停不停控制：可在瞬間停電時繼續(xù)維持運轉l5ms以上。

狀態(tài)監(jiān)控；可顯示l6種參數(shù)中的任意4種。如頻率、電流、電壓、功率等。

模擬量輸出信號：可輸出16種參數(shù)中的任意2種(頻率、電流、功率等)。

PWM載載頻率：最高可達17kHz，中小功率為l2～15kHz，真正靜音，輸電流波形中高諧波含量減小，載波頻率的提高對帶負荷能力的影響小。

完善的保護功能：防止過流、過壓、過負荷、過熱等，過載能力l20%—1min。

（四）節(jié)能效果計算

設水泵電機一臺，配用 100kw電機，實際工作中供水流量12小時是全速另外12小時是只需30%。假設流量在100%～30%之間變化，設電機全速供水量為 Qn，空載損耗為0.1(Y0≈cosnt)。每天總供水量為 65%Qn則全速 P1=(100－100×0.1)kw=90kw。

a.變頻時只需功率

P2 =(100×0.1+(65%)3×90)kw=34.7kw節(jié)約的功率：Pj=(90－34.7)kw=55.3kw

b.如果電費按 0.5元/kw小時計算，每年節(jié)約的電費

55.3 kw×24h×365×0.元/kwh=242214元=24 萬元c.節(jié)電率= P2/P1=34.7/ 90=38.6%

（五）低壓變頻器技術使用原則

1.變頻調(diào)速系統(tǒng)中電動機的選擇：

變頻調(diào)速系統(tǒng)主要包括異步電動機、變頻器、控制環(huán)節(jié)、負載及傳動機構。變頻調(diào)速電機運行時不是電網(wǎng)供電，而是由變頻器供電(變頻調(diào)速運行時，電動機不是工作在該電機設計制造的額定工況)，會帶來諧波、電磁干擾，也許會出現(xiàn)局部過電壓、過電流等問題。選擇電機容量時，應考慮以下因素：

a.電機的容量應大于負載所需的功率。

b.電機的最大轉矩應大于負載的啟動轉矩，并要有足夠的裕量。

c.若電源電壓下降了10%時，電機仍能輸出足夠的轉矩。

d.電機應在規(guī)定的溫升范圍內(nèi)使用。

e.針對負載的性質(zhì)，選擇適合的電機運行方式。

（1）變頻調(diào)速系統(tǒng)中電動機容量的選擇：

電動機容量選擇：電動機的容量—驅(qū)動負載所需的動力＋加速/減速所需的動力

（2）變頻調(diào)速系統(tǒng)中電動機負載的選擇：

驅(qū)動負載（水泵類負載）所需動力的計算：

（式中k——裕量系數(shù)，k＝1.1～1.2；ρ——液體的密度，kg/m3；Q——流量，m3/min；H——揚程，m；p——泵的效率，p＝0.6～0.83。）

2.變頻調(diào)速系統(tǒng)中變頻器的選擇：正確選擇變頻器是系統(tǒng)安全可靠穩(wěn)定運行的前提。根據(jù)負載機械的工作特性，結合對調(diào)速范圍、調(diào)速精度和經(jīng)濟性的要求，可以選擇不同種類的變頻器來控制調(diào)速運行。采用v／f控制方式，適用于泵類負載場合。其節(jié)能效果顯著，調(diào)速范圍和調(diào)速精度較低，成本較低。

（1）變頻器的規(guī)格和指標：a.型號/b.電壓級別/c.最大適配電機/d.電源/e.控制特性

（2）變頻器容量的選擇：確定系統(tǒng)中變頻器的容量時應考慮電動機的容量、電動機的額定電流、加速時間等幾方面因素。對于連續(xù)運行的變頻器必須同時滿足（表）所列三項要求。

注：PM——負載要求的電動機輸出功率，kW；η——電動機的效率，通常為0.85；——電動機的功率因數(shù)，通常為0.75；VE——電動機額定電壓，V；IE——電動機額定電流，A；k——電流波形補償系數(shù)，通常為l.O5～1.1。

（六）結論

采用變頻器調(diào)速運行后，除了輔機設備實現(xiàn)統(tǒng)一控制；使水泵供水系統(tǒng)工作狀態(tài)更平緩穩(wěn)定外，還可以節(jié)能、帶來可觀經(jīng)濟效益。做到了資源綜合利用、改善投資環(huán)境，符合國家提倡的節(jié)能減排方針政策，具有較好的社會效益與一定的經(jīng)濟效益。

[1] GB50015-2003,建筑給水排水設計規(guī)范[S].

[2] 查樹編.葉片泵原理及水力設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,1988.

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1008-1151(2011)06-0106-02

2011-03-09

成海（1962－），男，廣東人，廣西魚峰水泥股份有限公司技術發(fā)展部電氣肋理工程師。