凈水廠水泵機(jī)組變頻調(diào)速設(shè)計運(yùn)行總結(jié)

0 引言

高壓變頻器的產(chǎn)業(yè)化在上世紀(jì)80 年代中期才開始形成，隨著大功率電力電子器件的迅速發(fā)展和巨大的市場推動力，高壓變頻器20 多年來的發(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(yīng)用越來越廣。國內(nèi)外生產(chǎn)高壓變頻器的廠家很多，如西門子公司、ABB公司、依林公司、日立公司、國內(nèi)的利德華福公司等。

從1984 年開始，沈陽、哈爾濱、大連、鞍山等城市的供水工程，在不同時期先后選用了不同型號、一次側(cè)為10 kV的變頻調(diào)速裝置。其中哈爾濱第三凈水廠用的是奧地利ELEN 公司的設(shè)備(奧地利政府貸款)，鞍山市三家凈水廠用的是德國西門子公司上世紀(jì)80年代末的設(shè)備(日元貸款)，大連沙河第二凈水廠用的是德國西門子公司1998 年以后推出的最新的SIMOVERT(日元貸款)，吉林市第二凈水廠及第三凈水廠分別于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(diào)速設(shè)備。吉林市第三凈水廠所用的產(chǎn)品具有新穎、運(yùn)行可靠、技術(shù)先進(jìn)、節(jié)能顯著等優(yōu)點(diǎn)。本文重點(diǎn)介紹吉林市第三凈水廠水泵機(jī)組的變頻調(diào)速系統(tǒng)，它具有代表性，而且對凈水廠進(jìn)行變頻調(diào)速技術(shù)改造的實(shí)際指導(dǎo)意義也較大。

吉林市自來水集團(tuán)有限公司在考察對比了國內(nèi)外多家高壓變頻器生產(chǎn)廠家后，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年先在二水廠選用一臺，兩年來運(yùn)行效果很好，2004 年決定在三水廠再選用兩臺。

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(yīng)用于電力、冶金、石化、市政供水、水泥等多個領(lǐng)域，得到了用戶的普遍認(rèn)可。

1 工程概況

吉林市于1998年建成二水廠(凈水廠)，2004年建成三水廠(凈水廠及原水給水廠)。二水廠與法國得利滿公司合作，V 型濾池計算機(jī)系統(tǒng)由設(shè)計院和法國得利滿聯(lián)合設(shè)計。V 型濾池用的設(shè)備(閥門、儀表、控制臺)材料，送水泵房的水泵，高壓10 kV 電機(jī)，中控室計算機(jī)系統(tǒng)及模擬屏、投影設(shè)備均由法國得利滿公司供貨。幾年來，通過與外方合作，去國內(nèi)外水廠考察調(diào)研，學(xué)習(xí)到了國內(nèi)外水廠的長處，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。尤其是時間已進(jìn)入了21世紀(jì)，在設(shè)計三水廠時，必須以“高起點(diǎn)、上水平、創(chuàng)特色”為宗旨，設(shè)計、建設(shè)最好的水廠，讓市民滿意的水廠。

2 節(jié)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(guī)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(qū)，在幾何揚(yáng)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。

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

當(dāng)水泵臺數(shù)足夠多時，可以很好地適應(yīng)水量變化，但是水泵型號是有限的，裝機(jī)臺數(shù)過多，不僅管理不便，而且會無謂地增大建筑面積，提高工程造價，即使這樣，也無法做到完全適應(yīng)水量變化，仍然需要用閘門來調(diào)節(jié)水量，如圖2所示。

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

若采用無級調(diào)速技術(shù)，則可連續(xù)地改變水泵轉(zhuǎn)速，來變更水泵工況，使流量與揚(yáng)程適應(yīng)于管網(wǎng)用水量的變化，提高機(jī)組效率，維持管網(wǎng)壓力恒定，從而達(dá)到節(jié)能的效果。這一方法節(jié)能原理如圖3所示。圖中，AB為全速泵特性曲線，AnBn為調(diào)速泵特性曲線，CBnB為管路特性曲線，CO為幾何揚(yáng)程(含地形差和自由水頭)，在用水量從qmax減少到qmin的過程中，全速泵的揚(yáng)程將沿BA 曲線上升，而管網(wǎng)所需揚(yáng)程將沿

BBn曲線下降，這兩條曲線縱坐標(biāo)的差值就意味著全速泵揚(yáng)程的浪費(fèi)。應(yīng)用水泵調(diào)速技術(shù)時，當(dāng)用水量從qmax變動到qmin的過程中，水泵轉(zhuǎn)速隨流量從額定位n0降到n1n2n3……nn，水泵的q-h 特性曲線AB也相應(yīng)變化為A1B1，A2B2，A3B3……AnBn。而這組平行的特性曲線AB-AnBn 與管路特性曲線CB 的交點(diǎn)軌跡BBn正在管路特性曲線上。這樣就可使水泵工作點(diǎn)沿管路特性曲線滑動，使其揚(yáng)程處處能與系統(tǒng)阻力相適應(yīng)，做到?jīng)]有多余壓力的損失，且能保持管網(wǎng)壓力恒定，根據(jù)水泵軸功率的計算公式，明顯收到節(jié)能效果。

為實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組隨用水量變化而自動調(diào)速，最直接的辦法是在管網(wǎng)最不利點(diǎn)處設(shè)置壓力計，并設(shè)定壓力值。微機(jī)系統(tǒng)據(jù)輸入的壓力信號按存放的程序改變水泵轉(zhuǎn)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(yuǎn)，遠(yuǎn)傳信號很不方便。采用泵站出口壓力和流量來控制水泵轉(zhuǎn)速是常用的辦法。當(dāng)管網(wǎng)確定之后，出口壓力應(yīng)是流量的函數(shù)，其函數(shù)曲線即為管路特性曲線，所以可以利用圖4的控制系統(tǒng)自動地調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。

3 系統(tǒng)電氣設(shè)計方案

3.1 三水廠的凈水廠

設(shè)計院和吉林市自來水集團(tuán)有限公司按照工藝進(jìn)行了認(rèn)真計算，根據(jù)實(shí)際工況要求，選用HARSVERT-A 型高壓變頻器實(shí)現(xiàn)一拖一的技術(shù)方案進(jìn)行主回路電氣結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計，如圖5所示。一拖一的兩臺電機(jī)互為備用。

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