變頻調速技術在水廠的實際應用

1 概述

中國石化上海石油化工股份有限公司是一個大型石油化工企業(yè)，也是一個用水大戶。為滿足前方設備大量的用水需求，其下屬水廠配備的水泵功率都在幾百kW以上，這些水泵的裝機容量是按最大負荷和所需揚程來設計的。但在實際生產過程中，不同時段出水流量變化迥異，大多數時間水泵處于不飽和流量狀態(tài)，所以需頻繁地調整水泵的出水流量來維持出廠水壓力，以達到供、用水的平衡。

傳統(tǒng)方式下，主要是通過調整出水閥門的開啟度來調整水泵出水流量，以實現(xiàn)調壓的目的，從而造成大量電能的損耗。隨著變頻調速技術的飛速發(fā)展，及變頻器在大型機泵上的成功應用和實現(xiàn)的良好節(jié)能效果，變頻器在機泵上的應用逐步得到推廣。

2 調速節(jié)能原理

采用閥門節(jié)流法、變頻調速法調整水泵的出水流量，水泵工作特性會有所不同，其工作性能曲線如圖1 所示。

在圖1 中，R1，R2分別表示不同阻力下的管阻特性曲線，N1，N2分別表示不同轉速下的揚程特性曲線，管阻特性曲線與揚程特性曲線的交點就是水泵的工作點。假設目前水泵在A 點工作，要求出水流量從q圓減小到q1，采用閥門節(jié)流法就需調小閥門開度，此時管路阻力增大，而水泵轉速維持不變，管阻特性曲線由R1轉變?yōu)镽2，揚程從h0 上升到h1，水泵的工作點從A 點移到了B 點;采用變頻調速法就需調低水泵轉速，此時管路阻力不變，揚程特性曲線由N1 轉變?yōu)镹2，揚程從h0 下降到h2，水泵的工作點從A 點移到了C 點。

很明顯，同樣是將出水流量從q圓減小到q1，采用閥門節(jié)流法要比變頻調速法多消耗h1原h(huán)2 壓差的能量，而這部分能量是無效的，因此采用變頻器調速法實現(xiàn)節(jié)能的效果要好于閥門節(jié)流法。

另外，按照流體機械相似定律，水泵的流量q、揚程(壓力)h、軸功率P與轉速n 遵循比例定律，即q1/q2=n1/n2，h1/h2=(n1/n2)2，P1/P2=(n1/n2)3。由比例定律可知，當出水需求流量下降時，采用變頻調速法只要相應地調低水泵的轉速，就可成倍地減少水泵的軸功率需求，采用閥門節(jié)流法水泵的軸功率需求始終維持不變，同樣證明了采用變頻器調速法實現(xiàn)節(jié)能的效果要好于閥門節(jié)流法。

3 應用實例

2008 年我廠在低硅水車間802# 機泵上選用了安川公司CIMR-MV1SDC630 高壓變頻器，以此為例，分析變頻調速的實際運行效果。802#機泵基本參數如表1所列。

為了便于分析802# 變頻機泵的節(jié)電效果，抽取低硅水車間802# 變頻機泵改造前、后水泵在不同出水量狀態(tài)下的電單耗對比如表2 所列。

根據表2所列數據計算，低硅水802#變頻機泵改造前平均電單耗為255.97 kW·h/kt，改造后平均電單耗為175.91 kW·h/kt。因此，802#變頻機泵改造后與改造前相比，每1 kt 出水可節(jié)電80.06 kW·h，相對節(jié)電率為31.3%。

802#機泵的年出水量約為15 Mt。根據上述計算結果，每1 kt 出水可節(jié)電80.06 kW·h，則802#機泵全年節(jié)約電量為1 200.9 MW·h，以每kW·h電費0.58 元計算，則每年可節(jié)約電費69.65 萬元。

當初將802# 變頻泵改造投資約160 萬元，設備一次性投資在2年多內全部收回。

4 采用變頻調速的其他特點

4.1 提高功率因數節(jié)能

安川變頻器采用阻容濾波，相當于在電機與電網之間加入了一級容性隔離。變頻器中的濾波電容與電動機進行無功能量交換，因此變頻器實際輸入電流減小，從而減小了電網與變頻器之間的線損和供電變壓器的銅耗，同時減少了無功電流上串電網，使整個系統(tǒng)的功率因數大為提高。

802# 變頻調速機泵運行時功數因數始終保持在0.97 以上，而非變頻機泵運行時功率因數通常在0.8~0.85，因而變頻調速同時實現(xiàn)了補償功率因數帶來的節(jié)能。

4.2 實現(xiàn)自動恒壓供水

閥門節(jié)流法是通過人工改變出水閥開啟度的大小來適應管網用水量的變化，因而水量變化越大，操作人員調節(jié)閥門也就越頻繁;而采用變頻調速就可利用水泵出口壓力傳感器將信號傳輸至變頻器的PID控制宏，構成變頻器的閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)水泵轉數的自動調節(jié)，使流量隨用水量的多少而自動平衡。

4.3 延長設備使用壽命

1)延長了管道設備的使用壽命變頻調速可保持水壓基本恒定，不會出現(xiàn)水壓過高的現(xiàn)象，可將管道的壓力一直維持在合理的范圍內，使管接件所承受的壓力減小，延長了更換周期，減少了維修的投入。

2)延長電機和泵的使用壽命對于電機和水泵來說，由于起動過程平緩，可運行在最佳工作狀態(tài)，不再產生“悶泵”現(xiàn)象，運行損耗小，發(fā)熱大為降低，延長使用壽命。

4.4 實現(xiàn)電機軟啟動

異步電動機在起動時，起動時間短，起動電流很大，會產生刺耳的噪音;采用變頻調速就可以實現(xiàn)軟起動，起動平穩(wěn)，噪音低，減少對電網的電流沖擊及設備的機械沖擊。

5 結語

水泵在不飽和流量狀態(tài)下，采用變頻調速技術節(jié)電率在31.3%以上，并可有效提高功率因數，提升水廠供水自動化水平，延長設備使用壽命，降低維修費用，減少電網沖擊等。雖然對水泵進行變頻技術改造價格相對較高，但在大型水泵上應用，2~3年就可回收設備投資，具有很好的推廣使用價值。

作者簡介：

干希兵，現(xiàn)在中國石化上海石油化工股份有限公司水廠工作。