大功率变频器在大型泵站中并联运转时要解决的几个关键技术难题-（5） 北京市政工程设计研究总院 陈运珍,The Key technical problem of High-power inverter running parallel in the large water factory BEIJING MUNICIPAL ENGINEERING DESING RESEARCH GENERAL INSTITUTE CHEN YUN ZHEN,摘 要：从四十多年在大型给水排水工程的设计、运行、管理实际出发，总结了大型泵站采用变频调速节能降耗的高新技术中，必须解决的关键技术难题：如何寻找等效的综合的理想的水泵特性曲线？如何选用最佳的调速方案？如何追求最小的单位电耗目标？谐波治理及功率因素补偿如何综合考虑？如何选择绿色环保型的变频器？什么是最理想的现场网络监控环境？如何采用最科学的智能控制先进技术？针对这些应用中的关键技术难题提出了作者的见解，供同仁磋商。 关键词：多台水泵并联运转的理想特性曲线；最小单位电耗目标；绿色环保型变频器；谐波治理以及功率因素补偿；信息控制一体化网络监控。,1、引言 随着十一五规划的实施，城乡缺水将更加严重。我国人均水资源占有量只有世界人均水平的四分之一。全国年缺水量约300400亿立方米，全国的城市每年缺少60亿立方米，日缺水量超过1600万立方米。据统计，全国供水总量将达600亿立方米，到2010、2030、2050年我国城市相应需水量将分别增加到910亿立方米、1225亿立方米和1550亿立方米左右。“十一五”期间，全国新增供水能力400亿立方米，其中新增城市为160亿立方米，新增乡镇为80亿立方米，全国重点城市新增4500万立方米/日。预计到2030年，全国用水总量将达到7000亿到8000亿立方米，接近水资源可利用量的极限。 当前情况是：一方面国家拨巨资进行建设，另一方面，老一套的经济运转模式，存在严重的污染和浪费。综观当前国内水工业市场，绝大多数是老企业，设备陈旧，工艺及供电设备老化，自动化水平低下，水耗药耗材耗严重，先进控制技术极少采用。就是近几年来新建扩建改建的水处理工程，花了不少投资组建的FCS、DCS、PLC监控系统也不是名符其实的，不能进行网络化监控，造成许多资源白白浪费。更有许多处理厂站，存在先天性的不足，工艺设计不合理，工艺流程布局混乱，变电站远离负荷中心，使得电力电缆和控制电缆太多太长。特别是水泵机组的配置不够科学，使得给排水系统的电耗居高不下。吨水的单位电耗远远超过欧美、日本等国家。水工业的降耗节能到了克不容缓的地步。今年国务院又增加215亿元的巨资，加大节能减排的力度。针对大量老水厂的技术改造和新水厂的节能降耗中的几个关键技术难题，进行科学的分析研究并提出对策。,2. 认真分析综合等效的水泵特性曲线来确定调速问题至关重要 对每个泵站都要从实际情况出发，对水源供水做深入细致的调查分析，对水管的平差压力必须做大量的科学的计算。一个大型的给水工程往往有1个或2个以上的取水泵站，几个中间加压泵站和综合的净配水厂组成。大、中型城市的供水系统，往往是多水源、多泵站、多管道、多用户组成。一个大型的水泵站，又是多台机组并联运行。装机容量是按最不利的条件下，最大时流量和所需扬程来决定的。 下面举两个工程的典型设计实例，来分析要不要调速节能。 2.1 某大型水源取水泵站的实例分析： 水工艺专家们，对取水泵站选泵设计时，都是考虑供水保证率达到9599%的最低原水水位时泵站最大出水量的供水规模。水泵站的装机是按最不利条件下、最大时流量和所需相应扬程决定的。而实际上一年中只有几天能达到最大时流量，大多数时间里，水泵站都处在小流量下工作。为了适应流量的变化，许多泵站在运行中采取关小出口闸门的办法来控制流量，从而造成出口闸门前后的压力差值（少则多米多则几十米）就白白地浪费于闸门阻力上（见图1）。,图1 用水泵出口闸门调节水泵运行工况 图2 调节水泵合数和出口闸门适应流量变化,当水泵台数足够多时，宏观上可以适应水量变化，但是水泵型号有限，装机台数过多，不仅管理不便，增大建筑面积，加大工程造价，流量脉冲变化极大，无法做到安全平稳调节水量变化，还需要调节阀来调节水量（见图2）。 很多泵站切削水泵叶轮来适应工作点需要，因水泵工作点不连续照样有大量能量损失。 采用水泵机组无级调速技术，可连续地改变水泵转数，来变更水泵工况，使其流量与扬程适应于管网用水量的变化，才能提高机组效率，维持管网压力恒定，达到节能的效果。节能原理如图3所示。AB为全速泵特性曲线，AnBn为调速泵特性曲线，CBnB为管路特性曲线，CO为几何扬程（含地形差和自由水头），当用水量从Qmax减少到Qmin的过程中，全速泵的扬程将沿BA曲线上升，而管网所需扬程将沿BBn曲线下降，这两条曲线纵坐标的差值就意味着全速泵扬程的浪费。应用水泵调速技术时，当用水量从Qmax变动到Qmin的过程中，水泵转数随流量从额定位n降到n1n2n3nn，水泵的QH特性曲线AB也相应变化为A1B1，A2B2，A3B3AnBn。而这组平行的特性曲线ABAnBn与管路特性曲线CB的交点轨迹BBn正在管路特性曲线上。这样就可使水泵工作点沿管路特性曲线滑动，使扬程处处能与系统阻力相适应，做到没有多余压力的损失，且能保持管网供水压力恒定，根据水泵轴功率的计算公式，明显收到节能效果。,东北市政设计院设计的引英入连供水工程水源泵站，2001年正式投产，其供水能力为66万m3/d，共5台2800kW的卧式离心水泵，变速电机电压为3kV，其中4台水泵机组选用Simovert MV电压源型变频器，采用三电平的磁场定向式矢量控制技术，逆变侧采用了大功率全控器件高压IGBT元件，因为IGBT元件的开通和关断过程都是连续可控的，无需附加其它电路，就能实现dv/dt控制，减小了电机和变压器上的dv/dt。由于采用了KTY84器件，可在线地得到高精度的转矩控制，Simovert MV是一种可靠性较高的变频器，5年来一直运转良好，其节电效果非常明显：每年节电452万kW.h，按0.6元/kW.h计算，则每年均能省电费536万元。而取水泵站的全部调速装置投资为800万元，不到2年，就收回了基建投资。,图3水泵机组无极调速适应流量变化,2.2 某大型配水送水泵站的实例分析：给水处理工艺流程，一般为进水、配水井、絮凝沉淀、过滤、清水池、配水泵房，送入配水管网；还有加药、加氯、加氨等辅助系统，中间还有回流泵房等。 水泵相似定律： QQQnnn （1）HHHn2n2n2 （2）NNNn3n3n3 （3）N（1s）fP （4）水泵工作扬程：HHhHfHhCQ2 （5）（n为转子实际转速；S为电机转差率；f为定子频率；P为电机极对数；Q为综合流量；H为水泵扬程；N为电机轴功率。）如果选用变频调速，就是通过改变定子频率，来改变异步电动机转子的实际转速，同时，又要满足电动机转矩的要求，达到水泵运转在高效率区域内。速度改变了，水泵的流量、扬程、功率都随着改变。,取水泵站的流量变化系数：K取=Kd1/Kd2=1.4/0.6=2.33 （6）（Kd1高日系数，取1.4，Kd2低日系数，取0.6）Hh为水泵的几何高差，一般为常数；Hf =CQ2为管道摩阻水头，随流量平方而变化，Hf = Hfmax/Hfmin=Kd12/Kd22=5.4（7）净配水厂的流量变化系数：K配=（Kd1Kh1）/（Kd2Kh2）=（1.41.4）/0.60.5=6.53 （8）（高时变化系数Kh1取1.4，低时系数Kh2取0.5。）由此可见，净配水厂比取水厂站的流量变化更大，给水处理厂更要考虑科学的调流降耗的措施。流量的千变万化，影响着整个处理系统的不断变化，如絮凝沉淀、各种过滤的处理程序，加氯、加氨、加药的随机变化，以及回流泵房等，都要采取各种先进监控技术来调节变化。这些先不提了，重点研究一下送水泵房大容量水泵机组的变频调节问题。见图4。,上世纪八十年代中期，我院承担的北京市第九水厂配水泵站设计中已充分认识了这个问题。从整个工艺流程到变配电设备选型，不是按最高日最高时的流量和其对应的压力为工作点来选水泵和水泵组合；而是在满足最大设计水量的基础上，尽量使调速高效特性曲线接近系统的特性曲线，也就是说，尽量将各种调速泵组合的高效区能套入出现机率最高的工作段或点上。调速水泵台数，应在全年内运行工况中开泵出现次数最多的台数为需要的台数，而备用选泵用定速泵。配水泵站多台水泵机组工作特性曲线图如图4。由电算可知，首期2台2500kW运转的机率最大，其次为3台同时运转，要考虑的是各种台数组合的系统曲线的高效区均能包入高日高时流量的基础上向右下方移动。由图可知，加大了额定流量，但降低了额定扬程，使多合配水泵综合的高效中心线介于两、三台水泵运转时的系统特性曲线之间。二期后同时运转需要4台2500kW的水泵机组，再考虑日变系数和时变系数的变化率，设计中规定，4台运转泵均采用变频调速装置，这样运转，最为经济合理。当1台调速泵有故障时，可以3调1定运转，其综合效率降低一点，而工作扬程还是很高。如果按老套路设计，就会选更多的水泵机组，为了调节水量，就要选各种不同容量不同型号的水泵机组，或者只上1台调速装置去试一试；这样一来，水泵机组很多，泵房面积很大，土建投资更大；同时，管理维修难度加大，水锤现象无法避免，更谈不上什么供水系统优化调度了，其电耗、水耗、药耗还是会居高不下。,水源九厂送水泵房原有4套西门子的变频调速装置，第三期又上了2套罗宾康的电压源型变频调速装置。6台2500kW的调速水泵机组同时并联运转。日供水量为150万m3/d，占了北京总供水量的2/3之多，其节能降耗的成果非常显著 。 从上世纪80年代开始，水工业市场真正步入了变频调速时代。南水北调等水源供水工程的输水送水泵站、以及各大城市的制水工程，如北京水源九厂、深圳梅林水厂、深圳东湖泵站、北京第八水厂、长春第二水厂，上海原水公司，上海、广州、重庆、成都、長春、武汉、昆明、石家庄、大庆油田、厦门、福州、东莞、天津、苏州、沈阳、哈尔滨、西安自来水公司等几百个大中小型水厂的配水泵房都选用了变频调速装置。水泵电机单机容量从200kW到3000kW，采用了大容量的变频调速装置约2000台以上。200kW以下容量选用变频调速装置的就更多了。,2.3 创建科学的泵站综合等效的理想的虚拟的特性曲线至关重要每建一个大功率多台并联运行的泵站或改造一个大规模的综合的给水排 水系统，都要把实际情况搞透，进行科学的水力计算，创建“泵站节电节水的 最高目标”的软件，使整个泵站的综合的运转特性曲线，由一条曲线扩大为一 个工作面、工作点，由一个点变成沿管阻特性曲线的一个线段，将多台并联 运行的调速泵组合为一台等效的理想特性曲线。从上面二个实例有力的证 明，创建理想的综合等效的多台水泵并联运转的虚拟的特性曲线是多么的重 要，见图4。就是说，变频调速，特别是在小流量的最低速时，也能使泵站始 终运行在高效区域内，真正平滑无级的运转在最优化的组合上，保证水处理 系统一直运转在最低的电耗、药耗、水耗的目标上。3、最佳调速方式的选择,3.1不同调速方式再比较泵站工程建完了，其水泵机组和管道就定了，如图1、图2、图3、图4所示。要改变总的出水流量，采用古老的调阀门方法，是不可行的；会产生巨大的水锤，会有巨大的破坏力，故障实例屡见不鲜。北京某大型取水泵站，采用阀门调试时，六套1.6米直径大阀门被水錘全部打破，造成巨大经济损失！科学地采用变频调速，电耗就会大幅度下降，达到调节水量的控制目的，又不会出现水锤现象，极大地优化了工艺流程。3.2各种方式调节流量的节电效果如图1、图2所示。调节阀门，流量是变化了，但电机功率不变，电能并没有节省；过去常采用的液力耦合器，电能是节省一些，但电耗还是不小，最好的办法就是采用变频无级调速技术，就很接近理想的控制曲线。当然在一些调速范围不很大的水泵站，也可以采用软启动器设备，有一定范围的调节，简单、实用、价格更便宜，但其节电效果肯定不如变频调速装置。,