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變頻調速是供水系統節能的最佳選擇

中國水網專家陳運珍在6月份落幕的“2009水業高級技術論壇”會刊征文中,撰文指出變頻調速是供水系統節能的最佳選擇,陳運珍原北京市市政工程設計研究總院二所副所長,擅長“電氣與自控”工程的設計、評標、審核,承擔過承擔過北京及深圳市供水調度廣域網絡系統工程及北京水源九廠、深圳東湖泵站等幾十項大中型給水排水的供配電系統及復雜的綜合自動化監控系統工程的設計任務。


  由于全國各省市城鎮化建設的飛速發展,近年來出現嚴重缺電缺水現象。許多城市出現限電限水現象。國家出巨資進行大規模的給水排水工程建設。據統計及預測,全國城市每天缺水2000萬m3,每天排放污水量約1億m3,我國每年新建擴建的水廠近600萬m3/d,污水處理廠的處理能力將達到700萬m3/d左右。

  在給排水工程的建設和管理運行中,設備運行管理費用很高,其中水廠的電耗約占50%。大多數新建的FCS、DCS、PLC監控系統也不能進行網絡化監控,造成許多資源的消費。有許多廠站存在先天性的缺陷,變電站位置不合理,配電電纜太多太長,變壓器等設備選擇不合理,特別是水泵機組選擇不合理,工藝流程總體布局不合理,使給水排水系統的電耗居高不下。給排水廠運行管理,應從工藝流程及其配套用電設備的變配電系統的綜合設計系統、加藥系統、水泵機組系統的三方向進行重點研究,要制定每噸水的綜合制造單位電耗和藥耗標準,即從每噸水的投資到運行的最佳的代價做文章。在這里,單就水泵機組的最佳節能技術選擇進行分析和研究。

實例分析
   
  從上世紀七十年代開始,幾十座大中小型規模給水廠站的設計,就打破了常規設計的保守選泵法,采用串級調速或變頻調速技術,使供水系統的出廠水流量和揚程,盡量適應其配置的管網系統特性的變化,提高水泵的運行效率,盡量使供水調度得到經濟合理,維持管網未端壓力穩定運行。

  北京市水源九廠開始設計時,打破了常規設計的做法,從工藝流程到變配電設備選型,不是按最高日最高時的流量和其對應的壓力為工作點來選不同容量水泵和水泵組合;而是在滿足最大設計水量的基礎上,盡量使調速高效特性曲線接近系統的特性曲線,也就是說,盡量將各種調速泵組合的高效區能套入出現機率最高的工作段或點上。調速泵臺數,應在全年內運行工況中開泵出現次數最多的臺數為需要的臺數,而備用泵選用定速泵。

  先看取水泵站。取水泵站的各種臺數組合的高效中心線,均在系統特性曲線的左側。在設計運轉臺數時,應將高效中心線包入最大流量點的曲線段,曲線向右下方移動,流量加大而揚程降低,使其與4臺泵運轉的系統特性曲線重合或靠近,水泵綜合運轉效率就會更高。從系統分析看,水泵同時運轉4臺為最經濟,考慮分期建設,第一期選用兩臺容量最大的水泵調速將更經濟合理。

  再看配水廠站配置。從電算可知,首期2臺泵運轉出現機率最高,其次為3臺,同時各種臺數組合的高效區均能包入高日高時流量的基礎上向右下方移動,見上圖。加大額定流量降低額定揚程,使配水泵綜合的高效中心線介于兩三臺水泵運轉時系統特性曲線之間,二期后同時運轉需要4臺,再考慮日變時變率,運轉泵均為調速泵比較合理。當一臺調速泵有故障時,三調一定運轉,其綜合效率降低一點,而工作揚程還是較高。所以,備用泵選用定速泵比較經濟合理。

供水系統可選的幾種變頻調速技術

  從上世紀80年代開始,我國水工業真正步入了變頻調速時代。如北京水源九廠、深圳梅林水廠、深圳中西部源水系統各泵站、北方南水北調各大輸水泵站、上海原水公司和自來水公司、上海排水管理公司、廣州、福州、廈門、東莞、天津、重慶、石家莊、昆明、成都、潮州、大慶油田等自來水公司的上百個大中型水廠和泵站都選用了變頻調速裝置。水泵電機容量從315KW到2500KW,采用變頻調速裝置的臺數近1000臺以上。200KW以下容量選用變頻調速裝置就更多了。

  由于電流型變頻器是全控橋整流,諧波非常豐富,對電網公害大,抑制諧波的措施比較復雜,在價格和可靠性上失去了優勢,在水工業領域中已很少采用了。220KW及以上水泵機組可選擇的變頻調速裝置有以下六種:

•   “中-低-中”變頻器
  優點是變頻器價格低,缺點是增加了占地面積和成本,增加了兩級變壓器損耗,可靠性大大降低了,在低速時,變壓器效率更低,功率因數也低。

•低壓大功率變頻器
  國產低壓變頻器已做到1000KW,國外已做到2000KW。建議盡量選用1.7KV、2.3KV、3.3KV多相特殊電動機。

•中-低壓大功率變頻器
  其優點是中壓輸電損耗小,低壓變頻效率高,輸入變壓器一側采用角(△)接法,可吸收變頻系統中的高次諧波。

•中-中壓變頻器
  a)中壓IGBT PWM變頻器。額定功率因數≥0.96,系統器件由60支減為24支,電路簡化了,可靠性提高了。b)中壓IGCT PWM變頻器。額定效率>98%,額定功率因數>0.95。

•多重式多級串聯中壓變頻器
  美國ROBICON公司、日本安川、富士、東芝公司等公司,都先后推出了多重式多級串聯中壓變頻調速裝置。采用多電平結構和多級低壓小功率IGBT PWM變頻單元串聯輸出中壓變頻電,實現了大功率集成。額定效率≥96%,額定功率因數≥0.95。但必須指出,同一容量采用中壓設備不但價格貴得多,且可靠性也下降了。

關于水泵電機采用矢量控制或直接轉矩控制的變頻調速控制方案的思考

  矢量控制系統(VC)和直接轉矩控制系統(DTC),都是高性能的交流變頻調速系統,都是轉矩控制,都是基于異步電動機的動態數學模型設計的。矢量控制系統的特點是:通過坐標變換,按轉子磁鏈定向,電機模型需要電機參數多,定向準確度受參數變化影響大。

  直接轉矩控制系統(DTC),在轉速環內,利用轉矩反饋直接控制電機的定子磁鏈轉矩。DTC受轉子側參數影響不大,而VC受轉子參數變化影響大,DTC魯棒性比VC強。

  DTC系統由電機的電壓和電流計算出定子磁鏈和轉矩,采用砰-砰控制來實現變頻器的PWM控制,其著眼點是電壓,而矢量控制的著眼點是電流,存在電流調節時間滯后,而DTC沒有電流控制環路,沒有任何電流反映,電機可以獲得較大的dv/dt,較大的加速電流,產生較快的電流響應和轉矩響應,DTC轉矩響應比VC快4~5倍。

  DTC由于采用砰-砰控制,其開關頻率不穩定,其電流的諧波比VC稍大些,變頻器效率略比VC低一些,就是說DTC控制變頻器的穩態指標要比VC差一些。無速度傳感器控制是DTC和VC控制系統共同的研究課題,并不是DTC的發明專利,它們都采用同樣的交流電機數學模型。DTC的低速控制性能不好,用轉子磁鏈控制來補償DTC的低速性能,控制系統低速時用ISR,高速時過渡到DTC。在水泵機組、生化處理、加藥系統中選用DTC系統,還是VC系統,要注意選擇,否則有害無益。DTC和VC系統作為高性能的調速系統,在本質上是相同的,都能實現較高的靜、動態性能。DTC和VC系統,由于控制方法上的差異,各有特色,各有不同的優缺點,各有側重的應用領域。矢量控制更適應于寬范圍調速系統和伺服系統,直接轉矩控制更適應于快速轉矩響應,魯棒性好的大滯后運動控制系統,兩種系統都存在一些不足,兩種系統的研究和開發工作都朝著克服其缺點方向發展。


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