变频调速在供水行业的应用

颜浩 宛如意
(深圳市自来水集团有限公司)

　　供水行业的调查结果表明，变频调速是一项有效的节能降耗技术，其节电率很高，几乎能将因设计冗余和用量变化而浪费的电能全部节省下来；又由于其具有调速精度高、功率因数高等特点，使用它可以提高产品质量、产量，并降低物料和设备的损耗，同时也能减少机械磨损和噪音，改善车间劳动条件，满足生产工艺要求。以下是变频器在供水企业生产过程各个环节中的应用情况。

1 大功率变频器

　　在城市供水中，大功率变频器主要应用在水泵上，由于水泵流量随着外界用水情况不断变化，扬程也因流量和吸水井水位的变化而变化，因此设备不可能总保持在一个高效工作点运行，需要进行控制。为使水泵能够运行在其特性曲线的高效区，过去多采用阀门控制与台数控制，效果不能令人满意。为满足工艺要求和适应运行工况的改变，需要水泵调速使机组尽可能始终运行在高效区内，以达到节约电能的目的。下面是几种常见的大功率变频器。?
1.1 大功率交—直—交电压型、电流型变频器
　　大功率交—直—交电压型变频器主结线图见图1。

　　此类变频器采用几个功率单元多重化并联而成，达到低谐波、大电流的输出目的。若中间耦合电路电容较大，使逆变输入端直流电压保持恒定，不受负载变化的影响，则逆变器的输入端可以看成是一个电压源，这就是电压变频器，在深圳市梅林水厂安装有四台1 000 kW SIEMENS电压型变频器。若中间耦合电路电感较大，则逆变器输入端就可以看成是一个电流源，这就是电流型变频器，在北京市第九水厂安装有四台2 500 kW SIEMENS电流型变频器。?
1.2 完美无谐波变频器
　　大功率完美无谐波变频器主线图见图2。

　　该变频器由多个功率单元串联而成，由低压单元叠加达到高压输出的目的，各个功率单元由输入隔离变压器的二次隔离线圈分别供电，二次线圈互相存在一个相位差，实现输入多重化，叠加得到多种不同的电压等级，合成正弦输出电压波形，由此可以消除各单元产生的谐波。每个功率单元都是由IGBT构成三相输入、单相输出的PWM型变频器，根据电机的电压等级确定每相串联功率单元的数量。目前上海大场水厂安装有两台美国ROBICON公司生产的1 350 kW变频器。?
　　统计表明，应用大功率变频调速节能效果非常显著，梅林水厂送水机组的单位配水电耗始终保持在0.35 kW·h/(m³·MPa)左右。交—直—交电压型、电流型变频器多用于新建水厂，采用高—低形式，直接选用中、低压电机；而完美无谐波变频器更适合于改造项目，无须更换原有的高压电机或另加升压变压器。在采用大功率变频器时，首先要考虑采用调速系统的节能潜力，其次要考虑到谐波对电网的影响，选择合适的容量与台数。?

2 中小功率变频器?

　　中小功率变频器大多采用了高密度集成电路和高效率冷却技术，体积小，安装容易，维护方便，操作简单。变频器提供了丰富的频率控制端子，以便用户根据实际情况选择合适的控制方式。通常变频器都设有0～10 V或4～20 mA的频率控制端子以及数字通讯接口。变频器的闭环频率控制系统主要包括被控对象、测量元件、变送器、调节器和执行机构。调速电机所传动的生产机械控制对象有温度、位置、压力和流量等，变频器和电机构成的传动机构是闭环系统中的执行机构，变频器接受调节器所输出的信号，调节电机转速，维持被控量的设定值。控制框图见图3
　　中小功率变频器应用十分广泛。

2.1 空压机?
　　空压机在供水行业的应用较多，如用于控制滤池恒水位过滤与反冲洗各气动阀门与闸板、污泥脱水压滤机的隔膜挤压等气源供给。空压站采用变频调速可以使空压机在低于额定压力又满足生产要求的任何压力下运行，再辅以压力闭环控制，可实现空压机的供气压力——转速的动态匹配，减少电机的实际输入功率，达到节能目的，另外还具有供气压力稳定、配用电机实现软启动、降低机械磨损等优点。
?2.2 混合池搅拌机
　　在给水处理中，加药混合工艺对后续絮凝沉淀工艺的效能产生极为重要的影响。若以变频器驱动搅拌装置，通过调节和选择合适的速率，就可以达到所期望的G值和GT值，得到良好的混凝效果和节能效果，同时也降低了机械磨损。变速搅拌装置在欧美、日本早有使用，在梅林水厂也已采用。?
2.3 排泥行车?
　　平流沉淀池的排泥对沉淀的效能影响较大，及时排除积泥是保证沉淀池正常运行的必要条件，积泥过多将导致沉淀池有效深度和容积减小，水力停留时间缩短，降低沉淀效率，影响出水水质。采用机械吸泥排泥行车排泥可靠性较高，目前基本采用往复式“M”形4个行程的排泥方法。这样控制较复杂，行车行走距离又长，机械磨损较大，常出现行车咬轨甚至脱轨现象。采用变频调速改造可以根据积泥深度调节行车的行走速度(递增或递减)，一个行程就可以将泥排尽。积泥深度可以用污泥界面仪测得或经验估计，以此作为变频器的给定输入、比例调节变频器的输出频率。?
2.4 药剂投加
　　混凝剂、石灰的投加，需要根据原水水质与水量的变化及时准确地进行调节。投加混凝剂计量泵、投加石灰螺杆泵、加石灰给料机等利用变频器输出频率范围宽(0～200 Hz)的性能，可高于工频运行，使得投加量的调整范围变宽，满足工艺要求，降低药耗。其中混凝剂的投加控制：以原水流量作为变频器的输入信号比例调节计量泵的转速，用混合水SCD值的反馈量比例积分调节计量泵的冲程，两者配合组成前馈、反馈调节系统。石灰的投加控制：用原水流量作为给料机变频器的输入信号比例调节给料量，改变石灰液浓度；用投加点的pH值反馈量作为螺杆泵变频器的输入信号比例积分调节石灰液的投加量，改变原水pH值，这在梅林水厂使用效果良好。?
2.5 滤池反冲洗?
　　滤池反冲洗是恢复和继续发挥滤池功能十分重要的手段，滤池的效率要依靠有效的清洗来实现。反冲洗强度不足会导致滤池清洗不彻底、堵塞较快、产生泥球等，影响过滤性能；反冲洗强度太大则会造成滤料层、承托层翻动，膨胀太高，出现跑砂、配水系统故障或漏砂等现象。滤池反冲洗基本上都是公用一套反冲洗设备，单个滤池的反冲洗气水管路有所不同，得到的反冲洗强度也大不一样；另外随着水温的变化，水的粘滞性变化较大，反冲洗强度也随之改变；理论设计与实际应用还存在着差别。如果采用变频器驱动反冲洗的水泵、风机，通过调节频率，单个滤池得到合适的反冲洗强度，既满足了工艺要求，又节约了能源、水量，这在广州市西洲水厂已经试用。?
2.6 桥式吊车?
　　目前使用的桥式吊车大多数采用继电器、接触器控制，转子串电阻调速，使用中故障频繁。如果采用三台变频器分别驱动升降电机、大车行走电机、小车行走电机，在频繁使用的情况下，这种改造显得非常优越，调整范围广，调速精度高，启动、加速、减速、制动平稳，没有大电流和机械冲击，调整方便，运行可靠，节约电能。?
　　城市供水企业是一个耗能大户，许多设备的综合能耗大大高于先进水平；另一方面在制水过程中存在着自动化程度较低的现象，靠操作人员勤跑、勤看、勤调节的落后生产管理方法，在水质要求越来越高的情况下越来越不适应。因此，在供水行业推广应用变频器对节能降耗和提高自动化程度有着重要的意义。

参考文献

　　1 汪光焘?城市供水行业2000年技术进步发展规划.1993
　　2 宛如意?大功率水泵变频调速系统应用技术分析.城镇供水，1997；(4)

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　　(收稿日期 1999-01-10)