楊 泰

(山西大唐國(guó)際臨汾熱電有限責(zé)任公司，山西 臨汾 041000)

0 引言

我國(guó)水資源分布不均，人均水資源極度匱乏，是世界13 個(gè)貧水國(guó)家之一［1］。臨汾市水資源總量18.9 億立方米，水資源人均占有量380 立方米，屬于水資源十分貧乏的地區(qū)，缺水問(wèn)題已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。我國(guó)電力裝機(jī)結(jié)構(gòu)以火力發(fā)電為主，火力發(fā)電的工業(yè)用水量占全國(guó)工業(yè)用水總量的40%左右。盡管火力發(fā)電廠用水量巨大，但幾乎占全廠用水量97%以上的循環(huán)冷卻水對(duì)水質(zhì)的要求并不高［2］。中水經(jīng)過(guò)處理后一般能滿(mǎn)足火力發(fā)電廠的生產(chǎn)用水需求［2］。

山西大唐國(guó)際臨汾熱電有限責(zé)任公司安裝有兩臺(tái)國(guó)產(chǎn)300 MW 亞臨界參數(shù)燃煤供熱機(jī)組。公司項(xiàng)目設(shè)計(jì)之初就將回用中水作為主要生產(chǎn)用水水源，在2012 年7 月與臨汾市第二污水處理廠就中水回用項(xiàng)目成功簽約。經(jīng)臨汾市第二污水廠處理后的城市中水，作為我公司的鍋爐補(bǔ)給水、熱網(wǎng)補(bǔ)充水及閉式輔機(jī)冷卻水補(bǔ)充水源。中水回用可降低對(duì)水環(huán)境的污染負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)污水資源化利用，同時(shí)也可以降低火力發(fā)電企業(yè)的用水成本。

1 中水回用變頻改造前存在的問(wèn)題

臨汾市第二污水處理廠有三臺(tái)中水回用水泵向我廠供水。電機(jī)型號(hào)為:Y2－250－2;額定電壓:380 V;額定功率:55 kW;額定電流:103 A;額定轉(zhuǎn)速:2 970 rpm;絕緣等級(jí):B級(jí);防護(hù)等級(jí):IP54。水泵型號(hào)為IS125－80－250。三臺(tái)中水回用水泵一用兩備。原中水電機(jī)由開(kāi)關(guān)柜控制采用智能控制器進(jìn)行保護(hù)，電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。通過(guò)污水廠值班員人工閥門(mén)控制壓力和流量。存在的主要問(wèn)題:

1)人員操作量大，不能及時(shí)調(diào)節(jié)壓力。我廠值班員需要根據(jù)用水量的變化電話(huà)通知污水處理廠值班員，污水廠值班員進(jìn)行人工調(diào)節(jié)壓力閥門(mén)開(kāi)度。由于是24 h 不間斷供水，每天需多次調(diào)節(jié)，操作量大。人工就地調(diào)節(jié)不能及時(shí)響應(yīng)我廠用水量的變化，導(dǎo)致用水量增大時(shí)壓力不足，用水量減少時(shí)壓力過(guò)高。

2)設(shè)備故障率高。調(diào)節(jié)不及時(shí)容易導(dǎo)致管道超壓，造成閥門(mén)管件損壞。水泵、葉輪長(zhǎng)時(shí)間全出力運(yùn)行，減少了使用壽命，導(dǎo)致軸承、葉輪提前磨損，過(guò)早損壞。由于設(shè)備可靠性低，故障率高造成維修任務(wù)繁重，設(shè)備零件投入高。

3)能耗損失大。電機(jī)工頻運(yùn)行，大量的能量浪費(fèi)在截流調(diào)壓過(guò)程中，電能大大浪費(fèi)得不到充分利用。

2 變頻技術(shù)應(yīng)用于中水回用恒壓供水

2.1 變頻調(diào)速

根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為:

式中:n 為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速;f 為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速;p 為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速;s 為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。

由以上公式可知，改變交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有三種，即變頻調(diào)速、變極調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。其中，三種調(diào)速方式中，只有變頻調(diào)速可以在不改變電機(jī)內(nèi)部參數(shù)的前提下，通過(guò)改變定子供電電源頻率來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速［3］。同時(shí)變頻調(diào)速具有總效率高、總功率因數(shù)高，調(diào)速范圍內(nèi)變化小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，調(diào)速范圍精確度高，分辨率高及通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，成為現(xiàn)代交流調(diào)速的主流。

2.2 水泵變頻調(diào)速的節(jié)能原理

水泵消耗的功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。即P=kn3，式中P 為水泵消耗的功率;n 為水泵運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速;k 為比例系數(shù)。而水泵在設(shè)計(jì)時(shí)是按工頻運(yùn)行設(shè)計(jì)的，但供水時(shí)除高峰外，大部分時(shí)間流量較小。如果使用了變頻調(diào)速，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)定子繞組的電源頻率，可以使水泵的轉(zhuǎn)速隨著流量進(jìn)行變化，達(dá)到節(jié)能的目的。實(shí)踐表明，使用變頻設(shè)備可使水泵運(yùn)行平均轉(zhuǎn)速比工頻運(yùn)行時(shí)降低20%，從而大大降低能耗，節(jié)能率可達(dá)20%～40%。

2.3 變頻恒壓供水控制

變頻恒壓供水是指當(dāng)用水量發(fā)生改變時(shí)，變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出頻率響應(yīng)用水量的變化，以維持出口壓力保持不變。與一般的以轉(zhuǎn)速為控制對(duì)象的變頻系統(tǒng)不同，涉及流體工藝的變頻系統(tǒng)通常都是以流量、壓力、溫度、液位等工藝參數(shù)為控制量，實(shí)現(xiàn)恒量或變量控制，這就需要變頻器工作于PID方式下，按照工藝參數(shù)的變化趨勢(shì)來(lái)調(diào)節(jié)泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速［3］。將PID 控制器、變頻器、電動(dòng)機(jī)、水泵、壓力變送器組成變頻恒壓供水控制系統(tǒng)。

圖1 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)框圖

回用水投運(yùn)時(shí)，裝設(shè)在中水回用水泵出口的壓力變送器實(shí)時(shí)采集水壓，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為4 mA～20 mA 電流信號(hào)送至PID 控制器。PID 控制器將實(shí)際壓力與設(shè)定壓力值進(jìn)行比較、運(yùn)算，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換為變頻調(diào)節(jié)信號(hào)送至變頻器內(nèi)。當(dāng)壓力降低時(shí)，變頻器輸出頻率提高，水泵轉(zhuǎn)速增加，出水量增加;當(dāng)壓力過(guò)高時(shí)，變頻器輸出頻率降低，水泵轉(zhuǎn)速下降，出水量降低，維持壓力恒定。變頻器根據(jù)該指令來(lái)調(diào)節(jié)輸出頻率，頻率改變時(shí)電機(jī)、水泵的轉(zhuǎn)速隨著發(fā)生改變。通過(guò)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)水泵出水量，達(dá)到響應(yīng)用水量的變化，維持壓力恒定的目的。當(dāng)壓力降低時(shí)，變頻器輸出頻率提高，水泵轉(zhuǎn)速增加，出水量增加;當(dāng)壓力過(guò)高時(shí)，變頻器輸出頻率降低，水泵轉(zhuǎn)速下降，出水量降低，維持壓力恒定。

3 變頻改造實(shí)施方案

3.1 采用變頻器內(nèi)置PID 控制

污水廠中水回用水泵房水泵電機(jī)采用就地開(kāi)關(guān)柜控制，無(wú)程控系統(tǒng)。現(xiàn)在的大多數(shù)變頻器，無(wú)論是水泵風(fēng)機(jī)專(zhuān)用型，還是通用型都內(nèi)置了PID 控制功能。采用變頻器內(nèi)置PID 接線簡(jiǎn)單，參數(shù)設(shè)定便捷，可以省去PLC 的投資與調(diào)試，特別適用于沒(méi)有上位機(jī)程控的工業(yè)系統(tǒng)，只需投資變頻控制柜即可在就地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變頻恒壓供水。啟動(dòng)變頻器內(nèi)部的PID 宏，要維持的出口壓力通過(guò)控制面板進(jìn)行設(shè)定，壓力反饋接入變頻器模擬量輸入端。

3.2 一拖二變頻控制

三臺(tái)中水回用水泵一用兩備，一臺(tái)水泵即可滿(mǎn)足我廠最大用水量的要求。為了節(jié)約成本、同時(shí)滿(mǎn)足水泵定期切換的要求，對(duì)兩臺(tái)水泵電機(jī)進(jìn)行變頻一拖二控制，另一臺(tái)作為工頻備用。兩臺(tái)水泵通過(guò)接觸器進(jìn)行切換，要維持的目標(biāo)壓力在變頻器內(nèi)部設(shè)定。

圖2 一拖二變頻控制主電路圖

如果壓力變送器裝設(shè)在出口母管上則兩臺(tái)水泵公用一個(gè)反饋信號(hào)，如果裝設(shè)在水泵出口則反饋信號(hào)需要隨著水泵一起進(jìn)行切換。在各自的變送器回路中串接接觸器的常開(kāi)輔助觸點(diǎn)，達(dá)到隨水泵一起切換的目的。壓力變送器采用兩線制接線。

圖3 壓力信號(hào)選擇切換電路圖

一拖二變頻控制節(jié)省了投資，但在操作、運(yùn)行時(shí)需遵循以下幾個(gè)原則:

1)啟動(dòng)變頻器前先合上變頻器下口接觸器。變頻器不允許長(zhǎng)時(shí)間無(wú)負(fù)載空載輸出。

2)兩臺(tái)負(fù)載電機(jī)不能同時(shí)并聯(lián)運(yùn)行。

3)變頻器運(yùn)行時(shí)不能斷開(kāi)接觸器。因?yàn)閿嚅_(kāi)電感性負(fù)載時(shí)，其會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)高壓，對(duì)變頻器有沖擊。

4)變頻器運(yùn)行時(shí)不能切換兩臺(tái)負(fù)載電機(jī)。以上原則在操作中必須遵循，否則會(huì)減少變頻器及接觸器的使用壽命。為了簡(jiǎn)化操作流程、避免誤操作造成設(shè)備的提早損壞，遵照第4)條操作原則設(shè)計(jì)出了優(yōu)化后的控制圖，如圖4 所示。

圖4 一拖二閉鎖電路圖

圖中通過(guò)接觸器KM1、KM2 的輔助觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)接觸器相互的自閉鎖，避免兩臺(tái)負(fù)載電機(jī)并列運(yùn)行。兩臺(tái)負(fù)載電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA 進(jìn)行切換，而且只有在變頻器停止運(yùn)行后才能進(jìn)行切換。定義變頻器運(yùn)行后可編程輸出繼電器RO 得電，常開(kāi)接點(diǎn)閉合，保證經(jīng)SA 選擇運(yùn)行的電機(jī)接觸器在變頻器運(yùn)行時(shí)始終帶電，避免運(yùn)行中誤操作切換電機(jī)。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)避免了誤操作，保證了設(shè)備的可靠性，簡(jiǎn)化了日常操作，為變頻改造推廣提供了參考。

4 變頻改造后的效果

1)變頻恒壓中水回用系統(tǒng)具有齊全的保護(hù)功能，具有欠壓、過(guò)流、過(guò)載、過(guò)熱、缺相、短路保護(hù)等功能，設(shè)備可靠性高。

2)改造后降低了電機(jī)的啟動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)了平滑啟動(dòng)，減少了設(shè)備的損耗，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。同時(shí)可以消除在啟、停過(guò)程中由于動(dòng)能的急劇變化對(duì)供水管道的沖擊。

3)整個(gè)系統(tǒng)由壓力傳感器反饋信號(hào)與設(shè)定值在變頻內(nèi)部形成閉環(huán)控制，根據(jù)壓力變化調(diào)整輸出頻率維持出口壓力恒定。能及時(shí)響應(yīng)用水量的變化，提高了中水回用系統(tǒng)的利用效率，避免了人工調(diào)整，減少了工作量。

4)采用變頻調(diào)速后轉(zhuǎn)軸上的平均轉(zhuǎn)矩和磨損減小，減少了維護(hù)量、降低了維修費(fèi)用，并且可以有效地提高電機(jī)的使用壽命。

5)變頻運(yùn)行后能耗隨著轉(zhuǎn)速的降低而大幅減少，節(jié)能效果明顯。

［1］李 銳，何世德，張占梅，等.城市中水在電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的應(yīng)用與展望［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2008，33(3)152－155.

［2］戴建強(qiáng)，鄭敏.城市中水回用于電廠循環(huán)冷卻水的處理技術(shù)實(shí)例［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2008，33(3) ：108－111.

［3］李方圓.變頻器應(yīng)用與維護(hù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2009：1－52.