北京地区供水系统变频调速应用例分析

1  引言
　　随着电力电子器件向大功率化、高频化、模块化、智能化方向发展，极大地促进了变频调速整机系统性能的提高，变频器整机的控制性能、自诊断和自保护功能越来越强。在变频调速控制系统中，加入微处理器、单片机、PLC构成的复合系统功能更强。各种功率水平、价格档次且性能上各具特点的变频器广泛应用于工业生产、社会生活的各个领域。在城市供水系统中，使用变频调速技术，在提高供水质量及优化供水系统性能的同时，节电效果可观。下面就北京局部地区的小区、饭店供水系统的变频调速技术应用例给予介绍和分析。

2  某小区热水供暖系统一次网中调速供水应用例
　　北京育新花园小区热水供暖系统一次网采用3台ISB200/150-400-50A型水泵，其中1台备用。根据系统一次网的设计流量，采用1台水泵即可满足系统的正常使用要求。热水供暖系统一次网为实现在室外温度变化时，循环水泵保持在最佳流量工况下运行的目标，系统一次网的循环流量应随着系统热负荷的变化而动态调整。对小区热水供暖系统一次网采用“质量-流量优化调节”，对应不同的热负荷，系统循环水量在整个采暖季的分布情况和调节情况对应关系如表1。
　　表1中数据表明:系统一次网在流量为159t/h和300t/h的工况下运行的时间较多，大约各占700个小时;而流量小于150t/h和大于400t/h的工况运行时间较少，大约各占80个小时。用变频器驱动水泵电机，进行质量-流量优化调节，实现供暖系统的优化运行。
　　表1中的数据给出了热水供暖系统一次网中在不同的循环水量状态下运行时，传统的循环水泵阀门调节和变频调速调节的轴功率对比。电价以0.6元/kWh计算，系统一次网循环水泵在一个采暖季里，采用阀门调节流量，运行电耗费用:123，9022×0.6=7.4万元(人民币);采用变频调速方式，运行电费支出:43，040×0.6=2.6万元。一个采暖季中，小区热水供暖系统一次网循环水泵使用变频调速方式可减少电耗80，802kWh，节省费用4.8万元。
　　市场上变频器的价格大约在800～900元/kW，ISB200/150-400-50A型水泵的功率为75 kW，循环水泵配用变频调速设备使用投资大约为元6万元左右，从统计数据上看，不到两个采暖季就可收回投资。
   
3  某饭店供水系统应用例
　　北京西直门外地区某饭店的供水系统原来由3台泵组成，每台泵的出水管均装有手动阀门，供检修和调节水量用。经变频调速改造后，新系统中除了有变频器以外，还有反映管网压力的压力传感器和电接点压力表及信号放大系统，还有实现逻辑控制的PLC。PLC控制3台水泵的启动和停止，压力传感器为变频器提供了反馈量，并和变频器组成了压力闭环系统，使系统始终在恒压状态工作。电接点压力表用来检测管路的最小压力。
　　新系统中，一台变频器循环启动3台泵，1号、2号泵的功率是15kW, 3号泵为11kW。经测算1号泵或2号泵全力工作一般就会满足整个系统的最大用水量，3号泵是备用泵。白天供水投入1号泵，使它工作在变频调速状态，构成压力闭环系统。但为了均衡水泵的使用寿命，采用定时换泵的方式8小时轮换一个班次，即8小时后，2号泵工作运行，1号泵转为备用，循环使用。当夜间供水量减小，或这两台泵处于检修状态时，3号泵启动并变频运行和维持恒压。
　　系统采用了富士变频器FRN15P11S-4CX，容量23kVA，额定电流30A，频率变动范围0～120Hz，1号和2号泵的型号为80DL50-20×3额定电压380V，额定电流30A，额定转速1450rpm。3号泵的型号为65LG3620×3，是立式多级分段式离心泵。由于变频器在任何一个确定的时间只驱动一台泵的拖动电机，故3台泵的启动、停止采用逻辑控制实现相互闭锁，保证可靠切换。为确保控制要求的实现，将3台电机所有的控制、保护、检测单元全部集中在一个控制柜里。
　　表2给出1台15kW的水泵分别在定速和变速情况下运行测得的数据。
　　从表2中数据对比知道，水泵变频运行后:
　　电源电压下降了63%， 电机定子电流下降41.3%
　　电源频率下降12%， 功率因数提高3.1%
　　流量减少4% 水压降低7.7%
　　转速下降8.9%

　　使用计算调速前后的功率之比，式中p为有功功率，U1、I1分别为电机定子线电压和线电流。
　　工频运行时有:;
　　变频运行时有:。功率差p1-pB=8.22(kW)。每年360个工作日，每个工作日平均工作16个小时，可节约电能w=(p1-pB)×16×360=47347.2(kWh)，电价按0.6元/kWh计算，每年可节约电费支出2.84万元。而购买变频设备的费用是2万多元，从分析知道，1年便可以回收设备投资。
　　表2  1台15kW的水泵变频调速前后各项指标对比

4  水泵变频调速的综合结果
　　从以上某小区热水供暖系统一次网中调速供水和饭店供水系统应用例中知道:水泵经变
　　频调速以后，除了具有很好的节能效果外，在以下性能指标上获得了提高:
　　(1) 实现了软启动;工作电流下降，电机运行温度明显下降，同时减少了机械磨损，机械检修工作量也大幅减少。
　　(2) 各种保护功能完善，没有再发生因过载、单相运行而烧毁电机的现象，确保了安全运行。
　　(3) 实现了软启动，避免了无调速水泵启动对周边设备及电网的冲击。
　　(4) 能自动维持恒压供水并无级调节水压;供水质量好，由于取消了高位水箱，防止了水的二次污染。
　　(5)自动化程度提高，提高了水泵的运行效率。

5  结语
　　根据调查资料显示，北京地区的供水系统应用变频调速技术有一定的普及程度，但还有
　　很大潜力，继续在北京地区的供水系统中普及应用变频调速技术，经济和社会效益是明显的，技术优势也是明显的，尤其是具有较大幅度的节能效果。但同时也有一些问题，如:变频恒压供水系统停电既停水。另外变频器工作产生的高次谐波对电网电压有一定影响，尤其是电网有效容量越小，变频器容量越大，影响程度就越大，这种影响会使电力电容、电抗器、变压器容易发热，并产生电磁谐振，电动机、发电机产生附加损耗，继电器产生误动作。我国的GB12668-90中规定:电气设备使用时，引起的电压畸变率要小于10%，任何奇次谐波不超过5%，偶次谐波不超过2%，使用变频器后，在电网局部地区可能会出现电压畸变超出国标的情况，宜采取相应的措施处理。

参考文献
[1] 杜金城,张少军等.电气变频调速设计技术[M].北京:中国电力出版社,2001.
[2] 王占奎.交流变频调速技术应用例[M].北京:科学出版社, 1999.