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变频器在给水工程中节能降耗的分析

作者: 来源: 发布时间:2018-2-11 16:12:47  点击数:757
0 引言
传统的给水工程中,各种系统参数随工况的变化而不断变化,为了实现准确地控制,只能采用控制阀门或挡板开度的方法,人为增减阻力,使大量能量损失在阀门和挡板上。随着变频调速技术的日渐成熟,可以实现根据电动机的负载特性来调整转速、启动时间等参数,从而具有明显的节能特性。
目前,在给水泵站采用变频调速技术,对水泵实现闭环控制很好地达到了节能和稳定运行的目的。本文将结合某二级泵站给水系统的变频调速控制给予具体的分析。
1 水泵变频调速运行的节能降耗原理
离心式水泵广泛应用于工业和生活给水系统中。其输出特性取决于水泵的种类和供水管网系统的阻力特性。离心式水泵的特性曲线以及供水管网的阻力曲线如图1和图2所示。

图1中:q一流量,h一水泵在一定转速下的扬程曲线,p一水泵的功率曲线,i一水泵的效率曲线;图2中:de一供水管网的阻力曲线。
从节能的角度出发,对于工况运行的场合,通常采用变频调速的电动机来改变泵的转速,以满足工况改变时对性能的要求。因此,水泵调速时的h-q曲线变为图3所示,泵的特性曲线n与管道性能曲线de的交点a0即为泵的正常使用时的工作点。
下面通过节流控制和变频调速的比较,说明变频调速的节能原理。

节流控制是通过改变装在管道上的阀门或挡板的开度,使阀门对供水的摩擦阻力变大,所以反映到上图中,阻力曲线从de移到de',扬程则从h0升到h1,,流量由q0减小到q1,运行工况点从a0点移动到a1点。
变频调速控制是在管网性能曲线不变的情况下,通过改变泵的工作转速,使其性能曲线变化,从而变更运行工作点来实现调节。泵的特性曲线取决于电机的转速,如果把速度从n变为n',工况点将从a0点移到a2点,扬程将从h。降到h2,流量将从q0减小到ql,与用节流控制时输出的流量相同。
采用两种方法运行时a1点和a2的泵轴功率分别为:

也就是说,用节流控制流量比用变频调速控制时多浪费了△p的功率,而且消耗随着阀门的开度减小而增加。另一方面,用变频调速控制时,由水泵的叶轮相似定律,当转速从n0变为n2时,q、h、p大致变化关系为:

当水泵转速下降时,消耗的功率也大大下降,因此节能潜力非常大。所以,最有效的节能措施就是采用变频调速器来调节流量。一般应用变频器节电率为20%~50%,效益显著。
2 给水系统的变频调速系统
某二级泵站给水系统的变频调速系统的构成如图4所示。该泵站由两台iosap-6b水泵组成,拖动水泵的每台电动机的功率为180kw。根据统计数据,高峰时用水量可以达到1200~1400t/h,而夜间最低峰时用水量仅为400t/h,水泵的流量变化较大,因此具有很大的节能
潜力。
2.1 系统组成

图4为此变频调速系统的构成,系统主要由以下几部分组成:
(1)控制对象:2台180kw水泵电机mi, m2。
(2)变频器、pid调节器:为了节省投资,采用二台变频器,“一控一”控制二台电机的方案,二台变频器同步控制,具有水泵及变频主机的智能保护,时间可调的软启、软停等先进功能,能保证设备处于平稳、高效、安全、低耗运行状态。
(3)工频控制器:即原有电机启动系统。
(4)压力变送器。
(5)工频/变频切换器:选用常规双头闸刀,确保二套系统互不影响,且切换可靠。
2.2 系统的工作原理
该系统的调节手段采用管网最不利点恒压控制,压力变送器将信号通过屏蔽电缆送到pid调节器后,同时控制2台电动机的频率。控制时,在用水量为400t/h时,只利用一台变频调速电机就可以满足整个供水要求,直到用水量上升后再启动另一台水泵电机,调速后的扬程h要与管路阻力特性曲线相吻合,以获得最佳的节能效果。变频器频率设定既可以手动设定也可以根据管网末端最不利点的压力形成闭环控制系统,实时在线调节电机的转速。
在以上系统中,没有采用一台定速另一台调速的方案,两台水泵的拖动电动机全部采用变频调速。尽管一次性投资稍大,但给整个系统带来性能提高也十分显著。
(1)若采用一台定速另一台调速的做法,运转时全速运转的水泵的出口压力肯定大于变速运转的水泵,因为二者共用同一出口管路就会对速度低的水泵的出口形成一个反压。如果变频控制的水泵压力达不到一定值,就无法打开管路中的逆止阀进行供水。由此而造成可以调速的水泵的可调范围变小,降低了系统的实用性,很难达到起初设想的结果。采用两台泵同时调速则不存在上述问题,可调速的范围很广,可以达到节能的目的。
(2)在用水低峰时,用水量仅为400t/h,所以只利用一台变频调速泵就可以满足整个供水要求,直到用水量上升后再启动另一台水泵。假设另一台是定速,只能做直接启动,对电器设备和系统的冲击都很大,特别在用水量需求处于临界点时,电动机就有可能出现频繁起停的状态,尤其对于容量180kw这么大的电动机而言危害就更大,而两台都可以调速时,任何一台都可以随时软启动和运行,完全避免了上面的问题,也方便了设备的检修。
2.3 节能效果分析
水泵采用交流变频调速技术后,控制系统的稳定性、经济性和可靠性明显提高,控制偏差小于1%,各参数波动幅值小,泵的出口压力降低,扬程下降,节能效果明显。
根据分析,水泵电机有三个工况点:最大功率工作点am,额定功率工作点an,最小功率工作点as。利用节流控制与变频器调速的方法得到本系统的h-q曲 线如图5所示。①当流量变为540t/h时,节流控制的工况点由a变为an,而变频调速的工况点由a变为an',此时两台电机同时工作在正常状态;②当流量变为420t/h时,节流控制的工况点由a变为as,而变频调速的工况点由a变为as',此时只需要一台电机来满足最小流量的要求;③当流量变为720t/h时,节流控制的工况点由a变为am,而变频调速的工况点由a变为am',此时两台电机工作在最大功率。
按照公式(2)计算得表1、表2结果。


按以上设定通过计算可得,两台水泵年节电量约为19.1万kw·h,至少节约电费:
(420042+80300-309228) ×0.68≈13万元。
3 结论
随着变频调速技术的飞速发展,变频器的保护功能越来越全面,这就更加提高了上述系统的可靠性,同时还增加了故障显示记忆功能,便于分析和排除故障。上述系统还设有瞬间停电保护、过载保护、过电压保护、过热保护、防止失速保护等功能。同时,变频器带有改善功率因数的直流电抗器,从而可以提高了系统的功率因数。该系统设有故障报警装置和在线故障诊断功能,保证其运行安全可靠,减少了设备的机械磨损,降低了维修工作量,延长了设备的使用寿命;另外,变频器的软启动特性避免了电机直接启动时大电流对线圈和整个电网的冲击。采用变频调速系统后,电动机和变频器组合为一体,既是动力源又是供水调节执行机构,改变了传统的控制方式,实现了生产过程自动化,减少了工人的劳动强度。闭环控制系统适应水量变化,实现在线调整,保证管网末端压力恒定,不存在人为调整的滞后现象。
总之,变频器调速技术具有设备体积小、调速范围大、调速特性好、无级调速、效率和功率因数高等优点,在工矿企业水泵上运行安全可靠,实现闭环控制后,满足用水量随时变化的需要,具有明显的节能降耗作用,经济效益十分显著。
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参考文献:
[1]毛正孝,赵友君。泵与风机[m]。北京:中国电力出版社,1999。
[2]姚厚伟。变频器在供水系统中的应用与节能[j]。大众用电,1997,5。
[3]韩安荣。通用变频器及应用[m]。北京:机械工业出版社,2000。

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