凈水廠(chǎng)水泵機組變頻調速設計運行總結

0 引言

高壓變頻器的產(chǎn)業(yè)化在上世紀80 年代中期才開(kāi)始形成，隨著(zhù)大功率電力電子器件的迅速發(fā)展和巨大的市場(chǎng)推動(dòng)力，高壓變頻器20 多年來(lái)的發(fā)展非常迅速，使用的器件已經(jīng)從Thyristor、GTR、GTO發(fā)展到IGBT、IECT、IGCT(SGCT)等，功率范圍從幾百kW到幾十MW，技術(shù)已經(jīng)成熟，可靠性也得到保證，應用越來(lái)越廣。國內外生產(chǎn)高壓變頻器的廠(chǎng)家很多，如西門(mén)子公司、ABB公司、依林公司、日立公司、國內的利德華福公司等。

從1984 年開(kāi)始，沈陽(yáng)、哈爾濱、大連、鞍山等城市的供水工程，在不同時(shí)期先后選用了不同型號、一次側為10 kV的變頻調速裝置。其中哈爾濱第三凈水廠(chǎng)用的是奧地利ELEN 公司的設備(奧地利政府貸款)，鞍山市三家凈水廠(chǎng)用的是德國西門(mén)子公司上世紀80年代末的設備(日元貸款)，大連沙河第二凈水廠(chǎng)用的是德國西門(mén)子公司1998 年以后推出的最新的SIMOVERT(日元貸款)，吉林市第二凈水廠(chǎng)及第三凈水廠(chǎng)分別于2002年、2004 年選用了和美國羅賓康技術(shù)等同的利德華福公司的10 kV變頻調速設備。吉林市第三凈水廠(chǎng)所用的產(chǎn)品具有新穎、運行可靠、技術(shù)先進(jìn)、節能顯著(zhù)等優(yōu)點(diǎn)。本文重點(diǎn)介紹吉林市第三凈水廠(chǎng)水泵機組的變頻調速系統，它具有代表性，而且對凈水廠(chǎng)進(jìn)行變頻調速技術(shù)改造的實(shí)際指導意義也較大。

吉林市自來(lái)水集團有限公司在考察對比了國內外多家高壓變頻器生產(chǎn)廠(chǎng)家后，決定選用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A 系列高壓變頻器。2002年先在二水廠(chǎng)選用一臺，兩年來(lái)運行效果很好，2004 年決定在三水廠(chǎng)再選用兩臺。

HARSVERT-A 系列高壓變頻器技術(shù)先進(jìn)，可靠性高，輸出電壓波形好，并且已成功應用于電力、冶金、石化、市政供水、水泥等多個(gè)領(lǐng)域，得到了用戶(hù)的普遍認可。

1 工程概況

吉林市于1998年建成二水廠(chǎng)(凈水廠(chǎng))，2004年建成三水廠(chǎng)(凈水廠(chǎng)及原水給水廠(chǎng))。二水廠(chǎng)與法國得利滿(mǎn)公司合作，V 型濾池計算機系統由設計院和法國得利滿(mǎn)聯(lián)合設計。V 型濾池用的設備(閥門(mén)、儀表、控制臺)材料，送水泵房的水泵，高壓10 kV 電機，中控室計算機系統及模擬屏、投影設備均由法國得利滿(mǎn)公司供貨。幾年來(lái)，通過(guò)與外方合作，去國內外水廠(chǎng)考察調研，學(xué)習到了國內外水廠(chǎng)的長(cháng)處，積累了豐富的經(jīng)驗。尤其是時(shí)間已進(jìn)入了21世紀，在設計三水廠(chǎng)時(shí)，必須以“高起點(diǎn)、上水平、創(chuàng )特色”為宗旨，設計、建設最好的水廠(chǎng)，讓市民滿(mǎn)意的水廠(chǎng)。

2 節能原理

同中國其他城市一樣，吉林市城市用水量是不均勻的，這是由于氣候和人們生活以及生產(chǎn)規律所決定的。由于流量的變化影響到管網(wǎng)水頭損失的變化，尤其是地勢平坦的市區，在幾何揚程很小的情況下，送水泵站出口所需壓力隨流量的變化更為顯著(zhù)。

水泵站的裝機是按最不利條件下、最大時(shí)流量和所需相應揚程決定的。但是，實(shí)際上每天只有很短時(shí)間能達到最大時(shí)流量，大多數時(shí)間里，水泵站都處在小流量下工作。為了適應流量的變化，許多泵站在運行中采取關(guān)小出口閘門(mén)的辦法來(lái)控制流量，從而造成出口閘門(mén)前后少則幾m 多則幾十m 的壓力差值白白地浪費于閘門(mén)阻力上，如圖1所示。

當水泵臺數足夠多時(shí)，可以很好地適應水量變化，但是水泵型號是有限的，裝機臺數過(guò)多，不僅管理不便，而且會(huì )無(wú)謂地增大建筑面積，提高工程造價(jià)，即使這樣，也無(wú)法做到完全適應水量變化，仍然需要用閘門(mén)來(lái)調節水量，如圖2所示。

很多水廠(chǎng)通過(guò)切削水泵葉輪以適應工作點(diǎn)的需要，但因水泵工作點(diǎn)不連續照樣有能量損失。

若采用無(wú)級調速技術(shù)，則可連續地改變水泵轉速，來(lái)變更水泵工況，使流量與揚程適應于管網(wǎng)用水量的變化，提高機組效率，維持管網(wǎng)壓力恒定，從而達到節能的效果。這一方法節能原理如圖3所示。圖中，AB為全速泵特性曲線(xiàn)，AnBn為調速泵特性曲線(xiàn)，CBnB為管路特性曲線(xiàn)，CO為幾何揚程(含地形差和自由水頭)，在用水量從qmax減少到qmin的過(guò)程中，全速泵的揚程將沿BA 曲線(xiàn)上升，而管網(wǎng)所需揚程將沿

BBn曲線(xiàn)下降，這兩條曲線(xiàn)縱坐標的差值就意味著(zhù)全速泵揚程的浪費。應用水泵調速技術(shù)時(shí)，當用水量從qmax變動(dòng)到qmin的過(guò)程中，水泵轉速隨流量從額定位n0降到n1n2n3……nn，水泵的q-h 特性曲線(xiàn)AB也相應變化為A1B1，A2B2，A3B3……AnBn。而這組平行的特性曲線(xiàn)AB-AnBn 與管路特性曲線(xiàn)CB 的交點(diǎn)軌跡BBn正在管路特性曲線(xiàn)上。這樣就可使水泵工作點(diǎn)沿管路特性曲線(xiàn)滑動(dòng)，使其揚程處處能與系統阻力相適應，做到?jīng)]有多余壓力的損失，且能保持管網(wǎng)壓力恒定，根據水泵軸功率的計算公式，明顯收到節能效果。

為實(shí)現水泵機組隨用水量變化而自動(dòng)調速，最直接的辦法是在管網(wǎng)最不利點(diǎn)處設置壓力計，并設定壓力值。微機系統據輸入的壓力信號按存放的程序改變水泵轉速，使最不利點(diǎn)壓力恒定和供需水量平衡。但是最不利點(diǎn)距泵站往往很遠，遠傳信號很不方便。采用泵站出口壓力和流量來(lái)控制水泵轉速是常用的辦法。當管網(wǎng)確定之后，出口壓力應是流量的函數，其函數曲線(xiàn)即為管路特性曲線(xiàn)，所以可以利用圖4的控制系統自動(dòng)地調節水泵轉速。

3 系統電氣設計方案

3.1 三水廠(chǎng)的凈水廠(chǎng)

設計院和吉林市自來(lái)水集團有限公司按照工藝進(jìn)行了認真計算，根據實(shí)際工況要求，選用HARSVERT-A 型高壓變頻器實(shí)現一拖一的技術(shù)方案進(jìn)行主回路電氣結構圖的設計，如圖5所示。一拖一的兩臺電機互為備用。

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