高壓變頻器在吉林市自來(lái)水三廠中的應(yīng)用
1 引言
隨著人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，吉林市自來(lái)水公司第三水廠在原有10萬(wàn)噸日供水能力的基礎(chǔ)上，擴(kuò)建至20萬(wàn)噸，以適應(yīng)吉林市未來(lái)十年或更長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)濟(jì)社會(huì)人口的發(fā)展水平。取水泵房原配備的355kW/10kV水泵4臺(tái)以及供水泵房配備的560kW/10kV水泵3臺(tái)，全部定速運(yùn)行，由于日夜供水差異較大，需要調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度或倒開(kāi)大小水泵。這樣水泵頻繁啟停帶來(lái)的沖擊，會(huì)引起電機(jī)、水泵、閥門(mén)故障率增加，維修費(fèi)用加大，同時(shí)對(duì)管網(wǎng)也有很大沖擊。因此采用傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度控制流量和壓力的方式，必然會(huì)造成大量能源浪費(fèi)。通過(guò)綜合調(diào)研，吉林市自來(lái)水公司決定對(duì)新擴(kuò)建部分采用北京利德華福公司生產(chǎn)的大功率變頻器進(jìn)行自來(lái)水流量及出廠水的恒壓控制，從而實(shí)現(xiàn)降低能耗、節(jié)約成本、提高供水質(zhì)量，達(dá)到自動(dòng)化水廠的生產(chǎn)需求。
2 自來(lái)水生產(chǎn)工藝流程介紹
首先要選好合適的水源和取水口，用管道輸送至一級(jí)泵房(取水泵房)并在一級(jí)泵房前加氯以殺滅藻類(lèi)、植物和貝類(lèi)動(dòng)物。再通過(guò)一級(jí)泵房將水送至廠內(nèi)處理系統(tǒng)中。通常經(jīng)過(guò)混合(在水源水中加入適量的氯化鋁，俗稱礬)反應(yīng)、沉淀、過(guò)濾、消毒等處理工藝，每一工藝配以相應(yīng)的構(gòu)筑物(如沉淀池、濾池、清水池等)，濾后消毒一般是加氯和氨，投加了消毒劑的水經(jīng)清水池、并在池內(nèi)停留1小時(shí)左右就成為合格的飲用水，再經(jīng)過(guò)二級(jí)泵房(供水泵房)加壓輸送到城市管網(wǎng)中，供生活飲用和生產(chǎn)使用。
3 高壓變頻器的應(yīng)用方案
根據(jù)公司在城市供水行業(yè)實(shí)際應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)，為確保供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，供水泵560kW/10kV選用HARSVERT-A10/045帶手動(dòng)一拖二旁路的高變壓頻器。它采用直接“高-高”形式，單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每相由8個(gè)功率模塊串聯(lián)而成，經(jīng)過(guò)多級(jí)移相疊加的整流方式，消除了大部分由獨(dú)立功率模塊引起的諧波電流，不用更換原來(lái)的電機(jī)和電纜，完全適合舊設(shè)備的改造。取水泵355kW/10kV選用HARSVERT-A10/030原設(shè)計(jì)采用一拖一運(yùn)行方式，經(jīng)過(guò)半年多運(yùn)行來(lái)看，取水開(kāi)1臺(tái)變頻機(jī)組就能滿足工況要求，另外考慮取水泵定期倒車(chē)只能開(kāi)工頻機(jī)組，所以公司決定將原有一拖一運(yùn)行方式改為一拖二運(yùn)行方式，這樣2臺(tái)變頻機(jī)組就可以交替運(yùn)行，非常經(jīng)濟(jì)。
一拖二手動(dòng)旁路的基本原理，它是由六個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)QS1-QS6組成。其中QS1和QS4,QS2和QS5有電氣互鎖;QS2和QS3,QS5和QS6安裝機(jī)械互鎖裝置。如果兩路電源同時(shí)供電，M1工作在變頻狀態(tài)，M2工作在工頻狀態(tài)時(shí)，QS3和QS4、QS5分閘，QS1、QS2和QS6處于合閘狀態(tài);M2工作在變頻狀態(tài)，M1工作在工頻狀態(tài)時(shí)，QS1和QS2、QS6分閘，QS3、QS4和QS5處于合閘狀態(tài);如果檢修變頻器，QS3和QS6可以處于任一狀態(tài)，其它隔離開(kāi)關(guān)都分閘，兩臺(tái)負(fù)載可以同時(shí)工頻運(yùn)行;當(dāng)一路電源檢修時(shí)，可以通過(guò)分合隔離開(kāi)關(guān)使任一電機(jī)變頻運(yùn)行。
恒壓供水系統(tǒng)原理
由于吉林市自來(lái)水公司第三水廠是新擴(kuò)建工程，用水負(fù)荷需要在實(shí)際運(yùn)行時(shí)進(jìn)行精確調(diào)整和測(cè)量，因此三水廠采用的是恒壓供水系統(tǒng)，其工作原理如圖3所示,測(cè)量元件為德國(guó)E+H公司的壓力傳感器，將它設(shè)在水泵機(jī)組出水口，Vi為恒定供水壓力設(shè)定值，供水壓力V作為輸出量，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
變頻器內(nèi)部的PLC采集供水壓力值V與用戶給定值Vi進(jìn)行比較和運(yùn)算，通過(guò)PID進(jìn)行調(diào)整，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號(hào)送至變頻器，直至達(dá)到供水壓力的給定值Vi。不管系統(tǒng)供水流量如何變化，供水壓力值V始終維持在給定壓力值Vi附近。
(1)在PID控制中，比例增益p加大，會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，p偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。當(dāng)p太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。若p太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。(2)積分I的作用主要是消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。但過(guò)強(qiáng)的積分作用使供水系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至引起振蕩。所以在調(diào)節(jié)過(guò)程初期，應(yīng)減弱積分作用，防止產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象;而到過(guò)程后期，應(yīng)適當(dāng)增強(qiáng)積分作用，以提高控制精度。(3)微分D的作用主要是改善供水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。增大微分時(shí)間，有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但抑制外擾能力下降。所以微分時(shí)間常數(shù)應(yīng)該在供水系統(tǒng)控制要求的前提下而隨機(jī)改變。即在調(diào)節(jié)過(guò)程初期，應(yīng)加大微分的作用，以減小超調(diào);在調(diào)節(jié)過(guò)程中、后期，應(yīng)不斷減小微分時(shí)間，以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，同時(shí)還可以縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。
三水廠變頻器在運(yùn)行初期，供水系統(tǒng)采用恒壓閉環(huán)控制，運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)運(yùn)行頻率曲線呈鋸齒波，上下波動(dòng)幅度較大，因此對(duì)PID系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，將p由1改為0.01、I由4改為20。通過(guò)幾次逐步調(diào)整，現(xiàn)運(yùn)行曲線較為平緩，波動(dòng)幅度相當(dāng)小。變頻器根據(jù)偏差相應(yīng)調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)離目標(biāo)參數(shù)時(shí)，調(diào)節(jié)幅度加快，隨著偏差的逐步接近，跟蹤的幅度逐漸減小，近似相等時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，維持供水系統(tǒng)的恒壓穩(wěn)定狀態(tài)。
4 變頻器的運(yùn)行情況
三水廠取水泵采用開(kāi)環(huán)運(yùn)行方式，根據(jù)清水池水位手動(dòng)調(diào)節(jié)頻率，一般頻率運(yùn)行在38Hz-45Hz之間。
三水廠供水泵采用閉環(huán)運(yùn)行方式，運(yùn)行參數(shù)如附表所示:
通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)變頻器運(yùn)行在37Hz及以下機(jī)泵不出水，所以把最低頻率限制在38Hz。在日常運(yùn)行中，早上4點(diǎn)加開(kāi)1臺(tái)工頻機(jī)組，當(dāng)變頻器頻率達(dá)39Hz左右，關(guān)閉工頻機(jī)組，只運(yùn)行一臺(tái)變頻器;在下午16點(diǎn)用水高峰時(shí)，再加開(kāi)工頻機(jī)組。這樣合理開(kāi)關(guān)車(chē)既滿足了出廠水壓力，同時(shí)又節(jié)約了大量能源。
系統(tǒng)應(yīng)用效果水泵電機(jī)采用高壓變頻器進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行后，在有效的調(diào)速區(qū)段內(nèi)運(yùn)行十分平穩(wěn)，與原來(lái)全部工頻電機(jī)運(yùn)行相比，由于變頻器對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了柔性啟動(dòng)，啟動(dòng)電流大大減小，對(duì)機(jī)組沒(méi)有任何沖擊，相應(yīng)延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，大大減輕了維護(hù)工作量，減少了維護(hù)成本。
變頻器有效的水壓閉環(huán)控制功能，使水壓調(diào)節(jié)平滑可靠，轉(zhuǎn)速無(wú)波動(dòng)。電機(jī)與多功能閥門(mén)聯(lián)動(dòng)，只要給定頻率，電機(jī)啟動(dòng)，多功能閥自動(dòng)開(kāi)啟，使得開(kāi)關(guān)機(jī)組變得簡(jiǎn)單。
變頻器投入運(yùn)行后，由于電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)提高到0.96以上，在各種負(fù)荷下，電網(wǎng)側(cè)電流大大下降，電機(jī)的無(wú)功電流由變頻器直接補(bǔ)償。
節(jié)能方面，三水廠對(duì)此進(jìn)行了測(cè)試:在同種工況下，采用單臺(tái)機(jī)組電度表分別計(jì)量的方式，單臺(tái)機(jī)組節(jié)電率達(dá)32%，這么高的節(jié)電率加上合理開(kāi)關(guān)機(jī)組，我廠每年將節(jié)約電費(fèi)100萬(wàn)元。
結(jié)束語(yǔ)三水廠取水、送水變頻器正式投產(chǎn)以來(lái)至今，連續(xù)運(yùn)行近兩年，為水廠正常供水提供了強(qiáng)有力的保障。HARSVERT-A變頻器具有免維護(hù)的特點(diǎn)，只需每個(gè)月更換柜門(mén)上的濾網(wǎng)。變頻器的應(yīng)用降低了系統(tǒng)對(duì)管路密封性能的破壞，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，同時(shí)維護(hù)量減少很多，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，節(jié)約了大量電能和水資源，切實(shí)響應(yīng)了國(guó)家節(jié)能降耗的號(hào)召。
隨著人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，吉林市自來(lái)水公司第三水廠在原有10萬(wàn)噸日供水能力的基礎(chǔ)上，擴(kuò)建至20萬(wàn)噸，以適應(yīng)吉林市未來(lái)十年或更長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)濟(jì)社會(huì)人口的發(fā)展水平。取水泵房原配備的355kW/10kV水泵4臺(tái)以及供水泵房配備的560kW/10kV水泵3臺(tái)，全部定速運(yùn)行，由于日夜供水差異較大，需要調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度或倒開(kāi)大小水泵。這樣水泵頻繁啟停帶來(lái)的沖擊，會(huì)引起電機(jī)、水泵、閥門(mén)故障率增加，維修費(fèi)用加大，同時(shí)對(duì)管網(wǎng)也有很大沖擊。因此采用傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度控制流量和壓力的方式，必然會(huì)造成大量能源浪費(fèi)。通過(guò)綜合調(diào)研，吉林市自來(lái)水公司決定對(duì)新擴(kuò)建部分采用北京利德華福公司生產(chǎn)的大功率變頻器進(jìn)行自來(lái)水流量及出廠水的恒壓控制，從而實(shí)現(xiàn)降低能耗、節(jié)約成本、提高供水質(zhì)量，達(dá)到自動(dòng)化水廠的生產(chǎn)需求。
2 自來(lái)水生產(chǎn)工藝流程介紹
首先要選好合適的水源和取水口，用管道輸送至一級(jí)泵房(取水泵房)并在一級(jí)泵房前加氯以殺滅藻類(lèi)、植物和貝類(lèi)動(dòng)物。再通過(guò)一級(jí)泵房將水送至廠內(nèi)處理系統(tǒng)中。通常經(jīng)過(guò)混合(在水源水中加入適量的氯化鋁，俗稱礬)反應(yīng)、沉淀、過(guò)濾、消毒等處理工藝，每一工藝配以相應(yīng)的構(gòu)筑物(如沉淀池、濾池、清水池等)，濾后消毒一般是加氯和氨，投加了消毒劑的水經(jīng)清水池、并在池內(nèi)停留1小時(shí)左右就成為合格的飲用水，再經(jīng)過(guò)二級(jí)泵房(供水泵房)加壓輸送到城市管網(wǎng)中，供生活飲用和生產(chǎn)使用。
3 高壓變頻器的應(yīng)用方案
根據(jù)公司在城市供水行業(yè)實(shí)際應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)，為確保供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，供水泵560kW/10kV選用HARSVERT-A10/045帶手動(dòng)一拖二旁路的高變壓頻器。它采用直接“高-高”形式，單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每相由8個(gè)功率模塊串聯(lián)而成，經(jīng)過(guò)多級(jí)移相疊加的整流方式，消除了大部分由獨(dú)立功率模塊引起的諧波電流，不用更換原來(lái)的電機(jī)和電纜，完全適合舊設(shè)備的改造。取水泵355kW/10kV選用HARSVERT-A10/030原設(shè)計(jì)采用一拖一運(yùn)行方式，經(jīng)過(guò)半年多運(yùn)行來(lái)看，取水開(kāi)1臺(tái)變頻機(jī)組就能滿足工況要求，另外考慮取水泵定期倒車(chē)只能開(kāi)工頻機(jī)組，所以公司決定將原有一拖一運(yùn)行方式改為一拖二運(yùn)行方式，這樣2臺(tái)變頻機(jī)組就可以交替運(yùn)行，非常經(jīng)濟(jì)。
一拖二手動(dòng)旁路的基本原理，它是由六個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)QS1-QS6組成。其中QS1和QS4,QS2和QS5有電氣互鎖;QS2和QS3,QS5和QS6安裝機(jī)械互鎖裝置。如果兩路電源同時(shí)供電，M1工作在變頻狀態(tài)，M2工作在工頻狀態(tài)時(shí)，QS3和QS4、QS5分閘，QS1、QS2和QS6處于合閘狀態(tài);M2工作在變頻狀態(tài)，M1工作在工頻狀態(tài)時(shí)，QS1和QS2、QS6分閘，QS3、QS4和QS5處于合閘狀態(tài);如果檢修變頻器，QS3和QS6可以處于任一狀態(tài)，其它隔離開(kāi)關(guān)都分閘，兩臺(tái)負(fù)載可以同時(shí)工頻運(yùn)行;當(dāng)一路電源檢修時(shí)，可以通過(guò)分合隔離開(kāi)關(guān)使任一電機(jī)變頻運(yùn)行。
恒壓供水系統(tǒng)原理
由于吉林市自來(lái)水公司第三水廠是新擴(kuò)建工程，用水負(fù)荷需要在實(shí)際運(yùn)行時(shí)進(jìn)行精確調(diào)整和測(cè)量，因此三水廠采用的是恒壓供水系統(tǒng)，其工作原理如圖3所示,測(cè)量元件為德國(guó)E+H公司的壓力傳感器，將它設(shè)在水泵機(jī)組出水口，Vi為恒定供水壓力設(shè)定值，供水壓力V作為輸出量，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
變頻器內(nèi)部的PLC采集供水壓力值V與用戶給定值Vi進(jìn)行比較和運(yùn)算，通過(guò)PID進(jìn)行調(diào)整，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號(hào)送至變頻器，直至達(dá)到供水壓力的給定值Vi。不管系統(tǒng)供水流量如何變化，供水壓力值V始終維持在給定壓力值Vi附近。
(1)在PID控制中，比例增益p加大，會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，p偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。當(dāng)p太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。若p太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。(2)積分I的作用主要是消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。但過(guò)強(qiáng)的積分作用使供水系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至引起振蕩。所以在調(diào)節(jié)過(guò)程初期，應(yīng)減弱積分作用，防止產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象;而到過(guò)程后期，應(yīng)適當(dāng)增強(qiáng)積分作用，以提高控制精度。(3)微分D的作用主要是改善供水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。增大微分時(shí)間，有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但抑制外擾能力下降。所以微分時(shí)間常數(shù)應(yīng)該在供水系統(tǒng)控制要求的前提下而隨機(jī)改變。即在調(diào)節(jié)過(guò)程初期，應(yīng)加大微分的作用，以減小超調(diào);在調(diào)節(jié)過(guò)程中、后期，應(yīng)不斷減小微分時(shí)間，以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，同時(shí)還可以縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。
三水廠變頻器在運(yùn)行初期，供水系統(tǒng)采用恒壓閉環(huán)控制，運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)運(yùn)行頻率曲線呈鋸齒波，上下波動(dòng)幅度較大，因此對(duì)PID系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，將p由1改為0.01、I由4改為20。通過(guò)幾次逐步調(diào)整，現(xiàn)運(yùn)行曲線較為平緩，波動(dòng)幅度相當(dāng)小。變頻器根據(jù)偏差相應(yīng)調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)離目標(biāo)參數(shù)時(shí)，調(diào)節(jié)幅度加快，隨著偏差的逐步接近，跟蹤的幅度逐漸減小，近似相等時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，維持供水系統(tǒng)的恒壓穩(wěn)定狀態(tài)。
4 變頻器的運(yùn)行情況
三水廠取水泵采用開(kāi)環(huán)運(yùn)行方式，根據(jù)清水池水位手動(dòng)調(diào)節(jié)頻率，一般頻率運(yùn)行在38Hz-45Hz之間。
三水廠供水泵采用閉環(huán)運(yùn)行方式，運(yùn)行參數(shù)如附表所示:
通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)變頻器運(yùn)行在37Hz及以下機(jī)泵不出水，所以把最低頻率限制在38Hz。在日常運(yùn)行中，早上4點(diǎn)加開(kāi)1臺(tái)工頻機(jī)組，當(dāng)變頻器頻率達(dá)39Hz左右，關(guān)閉工頻機(jī)組，只運(yùn)行一臺(tái)變頻器;在下午16點(diǎn)用水高峰時(shí)，再加開(kāi)工頻機(jī)組。這樣合理開(kāi)關(guān)車(chē)既滿足了出廠水壓力，同時(shí)又節(jié)約了大量能源。
系統(tǒng)應(yīng)用效果水泵電機(jī)采用高壓變頻器進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行后，在有效的調(diào)速區(qū)段內(nèi)運(yùn)行十分平穩(wěn)，與原來(lái)全部工頻電機(jī)運(yùn)行相比，由于變頻器對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了柔性啟動(dòng)，啟動(dòng)電流大大減小，對(duì)機(jī)組沒(méi)有任何沖擊，相應(yīng)延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，大大減輕了維護(hù)工作量，減少了維護(hù)成本。
變頻器有效的水壓閉環(huán)控制功能，使水壓調(diào)節(jié)平滑可靠，轉(zhuǎn)速無(wú)波動(dòng)。電機(jī)與多功能閥門(mén)聯(lián)動(dòng)，只要給定頻率，電機(jī)啟動(dòng)，多功能閥自動(dòng)開(kāi)啟，使得開(kāi)關(guān)機(jī)組變得簡(jiǎn)單。
變頻器投入運(yùn)行后，由于電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)提高到0.96以上，在各種負(fù)荷下，電網(wǎng)側(cè)電流大大下降，電機(jī)的無(wú)功電流由變頻器直接補(bǔ)償。
節(jié)能方面，三水廠對(duì)此進(jìn)行了測(cè)試:在同種工況下，采用單臺(tái)機(jī)組電度表分別計(jì)量的方式，單臺(tái)機(jī)組節(jié)電率達(dá)32%，這么高的節(jié)電率加上合理開(kāi)關(guān)機(jī)組，我廠每年將節(jié)約電費(fèi)100萬(wàn)元。
結(jié)束語(yǔ)三水廠取水、送水變頻器正式投產(chǎn)以來(lái)至今，連續(xù)運(yùn)行近兩年，為水廠正常供水提供了強(qiáng)有力的保障。HARSVERT-A變頻器具有免維護(hù)的特點(diǎn)，只需每個(gè)月更換柜門(mén)上的濾網(wǎng)。變頻器的應(yīng)用降低了系統(tǒng)對(duì)管路密封性能的破壞，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，同時(shí)維護(hù)量減少很多，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，節(jié)約了大量電能和水資源，切實(shí)響應(yīng)了國(guó)家節(jié)能降耗的號(hào)召。
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