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净水厂送水泵站的变频调速技术应用

摘要:本文着重介绍了扬州一水厂在采用变频调速技术对送水泵站机组进行改造和运行中得到的经验。结果表明,采用变频装置调速后,不仅能平滑调节出厂水压力,提高生产效率及安全性,还能最大限度节约电费降低制水成本。

  1.前言
   扬州一水厂担任了扬州市东北地区的重要供水任务,日设计供水量为15.5万吨。其送水泵房共有5台水泵机组(泵机组技术参数见表1)。 2005年6月份开始,城市需水量发生变化,供水时变化系数较大,为满足管网水量和水压的要求,选择1#(或2#、3#)与5#机组合,但5号机组长期运行电流在16A左右,比额定电流(20.8A)低达19%,超过允许不平衡电流10%。在对我厂2005年度3~4份的综合单位电耗最低仅为280kw·h/km3·Mpa,8~9月份的综合单位电耗最高达390kw·h/km3·Mpa,为了降低电耗,停用了5#机组,选择1#(或2#、3#)与4#机组合,但增加了机组的开停次数,这种供水方式机组开停频繁,供水压力只能作有级调节,受操作人员的限制较多。若机组开停调整不及时,随着用水量的变化,会出现供水压力的大幅度波动,供水压力过低、不能满足用户要求;压力过高时,使管网泄漏和每吨水耗电量增加,造成浪费且容易造成爆管事故。目前,变频调速技术已广泛应用于水厂的泵站运行控制,在提高供水质量和降耗节能及自动化生产方面都有十分明显的经济效益和社会效益,妥善采用调速技术是解决泵与管网匹配的最好方法。2006年11月对5#机组改造成变频机组并投入运行,其改造前后泵机组技术参数见表1。

机组型号额定流量(m3/h)扬程(m)转数(r/min)配套电机备注
1~3#24SA-10A270039730JS158-8,N=380kw 
4#20sh-9B176342970JS148-6,N=310kw 
5#16SA-9C108040960JS136-6,N=180kw改造前
RDL500-640A1260043960 N=400kw改造后

2.变频调速运行方式的选择
   变频调速供水根据水泵出口压力的变化情况可分为两种:变频恒压变流量供水和变频变压变流量供水。
   (1)恒压变流量供水方式将压力传感器设在水泵机组出水口,旨在使水泵出水口压力保持恒定,一般设定为最不利工况时水泵出水口所需压力值。当系统所需流量变小时,水泵出水口压力(仍为最不利情况下系统所需压力)大于管路此时需要的压力,从而仍会在一定程度上导致静扬程的浪费。
   (2)变压变流量供水的压力传感器设置在给水管网末端,PID调节器设定值为管网末端用户所需的服务水头值。系统通过自动调节使管网末端水压保持恒定,使管路特性曲线和系统静扬程不变,而水泵出水口压力则随着供水量变化依管路特性曲线而改变,不会由于供水量的减小而产生多余的静扬程,节能效果较好。
   本厂采用PLC控制的变频供水系统, PLC不仅可以实现数字PID调节功能,并可完成水泵机组的监控、自动抽真空等一系列控制功能,并可实现系统的优化控制,以达到最佳的节电效果。系统分时段设置设定压力(水泵机组出水口压力值)供水,时段的划分根据日供水量的变化规律完成,并存入PLC中。系统根据设定压力与反馈压力的偏差,通过PID调节器输出的模拟信号来控制作变频运行的机组的运行转速,从而改变泵的出水流量来达到调节供水压力的目的。本系统在某一时间段内的调速运行方式为恒压变流量供水,当时间段数划分趋向越多时调速运行方式为变压变流量供水。
   3.变频泵的选型
   变频泵与工频泵配置台数比例的选定,应以充分发挥每台变频泵在调速运行时仍能较高效率范围内运行为原则。如设一台变频泵,应使泵的高效区(其高效范围比工频泵运行时的范围要大)尽可能多地包括出现几率较大的工况点。
   4.运行中应注意的事项
   水泵调速一般是减速问题,当采用变频调速时,原来按工频状态设计的泵与电机的运行参数均发生了较大的变化,另外如管路特性曲线、与变频泵并列运行的工频泵等因素,都会对调速的范围产生一定影响,超范围调速则难以实现节能的目的。
   4.1水泵工艺特点对变频泵运行的基本要求
   变频调速不可能无限制调速,当水泵转速过小时,泵的效率将急剧下降,受此影响,水泵调速高效区萎缩,若运行工况点已超出该区域,则不宜采用调速。据相关理论变频调速不宜低于额定转速50%,最好处于 75%~100%,并应结合实际经计算确定。我厂规定不管在何种机组组合情况下变频泵运行的下限频率为38Hz。
   4.2工频泵与变频泵混合供水
   采用变频泵和工频泵混合供水,应注意确保变频泵与工频泵都能在高效段运行,并实现系统最优,此时工频泵就对与之并列运行的变频泵的调速范围产生了较大的影响,采取以下措施来改善其运行效果:
   (1)变频机组设定的压力值应符合所搭配运行的定速泵高效段所对应的扬程要求。
   (2)当管网流量变化时,采用开停工频泵进行大调,利用变频泵进行细调。在生产中应记录分析好管网需求水量,可根据初步估计的水量合理确定机组的组合情况,本厂现将变频机组作为正常开启机组,用工频泵进行调节,现厂日供水的范围为2200~5600 m3/h之间,最小和最大供水量之比为0.4,现采用表2各不同机组组合的情况进行运行,在运行过程中综合考虑管网压力及瞬时流量值确定机组的调配。

表2水泵不同组合适应不同用水需求情况

序号机组组合情况额定出水量
(m3/h)
实际出水量
(m3/h)
需求水量
(m3/h)
备注
15#(变频机组)26002100~30002100~3000 
25#+4#43633000~47003000~4700 
35#+1#(2#、3#)53004700~57004700~5700 
4.3管路特性曲线对变频泵运行的影响
   管网压力也是水厂的一项重要指导生产指标,压力过高,不仅容易暴管,而且电耗也升高了;压力过低,难以保证城市的正常用水,在各个时段对压力要求也不一样。在市政供水系统中,由于管网的调整,用水状况的变化等随机因素的影响,都会使实际最不利点和设计最不利点发生一些偏差。我厂供水量不断增加,管网特性曲线不断发生变化,应设定管网压力运行标准要求,记录管网压力实际运行值,及时掌握管网供水变化情况并加大汇总分析,总结管网供水变化情况以使合理设定变频机组压力设定值。

   4.4在变频机组某一时段运行过程属于变频恒压变流量供水,当系统所需流量变小时,为避免能量的浪费,同时确保管网服务压力保持稳定,应及时对PLC控制的变频供水系统当前时段的压力设定值进行修改。
   5.结论
   (1)采用PLC控制的变频供水系统,其性能要优于采用单一的变频恒压变流量供水或变频变压变流量供水方式,但在运行中需要综合分析,根据泵的匹配情况选择合理的运行方案。
   (2)在本变频供水系统改造后对电耗略有下降但不是很明显,主要原因是我厂未采用控制泵出口阀门的开度来调节流量,故没有造成能源的浪费。采用1~4#机组组合运行能满足管网水量和水压的要求(停用了耗电量大的5#机组),仅是管网压力不是太稳定,电耗平均趋于某值,改造后所服务的管网压力仍与以前的相同,就是依据能量守恒定律电耗平均值也应趋于以前的电耗值。故扬程与管网特性匹配且在高效区域运行的水泵进行调速改造,是没有明显节能效果的,其作用仅仅使管网压力控制调节方便。对于水泵与管网特性有一些偏差,而采用变频调速改造则不仅能达到节能的目的,又方便了出厂水压力的控制与调节。
 
 
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