永州市零陵區(qū)自來水公司位于零陵區(qū)南津南路東側(cè)美麗的瀟水河畔，是零陵區(qū)政府管轄的正科級事業(yè)單位，屬自收自支、企業(yè)化管理性質(zhì)，擔(dān)任著永州市零陵區(qū)城區(qū)30萬人口的供水任務(wù)，日設(shè)計供水量為20萬噸。水廠送水泵房共有4臺水泵機(jī)組，630kW
/10kV二臺，280kW
/10kV二臺，采用工頻運(yùn)行方式，泵站在實際運(yùn)行中，但由于實際需求輸水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于供水能力，所以只能依靠調(diào)節(jié)出口閥開度及頻繁開停泵來調(diào)節(jié)流量。以保證生產(chǎn)廠的處理平衡的需求。這不但操作麻煩、難以控制，而且能源浪費(fèi)大。鑒此，為了資源的合理利用和能源的節(jié)約，保證輸水管網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，擬考慮安裝變頻調(diào)速裝置，并經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)評估，認(rèn)為是可行的。通過調(diào)查和對比，經(jīng)過招標(biāo)形式選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-630F（630kW
/10kV）高壓變頻調(diào)速裝置，并于2014年5月投入使用。改造達(dá)到了預(yù)期目的。
2變頻器節(jié)能的理論依據(jù)
永州市零陵區(qū)自來水公司，供水量是不均勻的，這是由于春夏秋冬氣候和人們生活以及生產(chǎn)規(guī)律所決定的。水泵站的裝機(jī)是按最不利條件下、最大時流量和所需相應(yīng)揚(yáng)程決定的。而實際上每天內(nèi)只有很短時間能達(dá)到最大時流量，大多數(shù)時間里，水泵站都處在小流量下工作。為了適應(yīng)流量的變化，先前泵站在運(yùn)行中采取關(guān)小出口閘門的辦法來控制流量，從而造成出口閘門前后的壓力差值就白白地浪費(fèi)于閘門阻力上。
變頻調(diào)速運(yùn)行是根據(jù)水泵轉(zhuǎn)速的變化要求，通過改變電動機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，以獲得合理的水泵運(yùn)行工況。在不同的轉(zhuǎn)速情況下，均保持較高的運(yùn)行效率，不僅降低了電能消耗，同時能改善水泵啟動性能，延長其工作壽命，還提高供水質(zhì)量。變頻技術(shù)用于泵類設(shè)備驅(qū)動控制場合的節(jié)電效果，普遍節(jié)電達(dá)到20%以上。
根據(jù)流體力學(xué)的基本定律可知：水泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速N與流量Q、壓力（揚(yáng)程）H以及軸功率P具有如下關(guān)系：
Q1/Q2=N1/N2 （1）；
H1/H2=（N1/N2）2（2）；
P1/P2=（ N1/N2）3（3）；
Q1、H1、P1----水泵在N1轉(zhuǎn)速時的流量、壓力（或揚(yáng)程）、軸功率；
Q2、 H2
、P2-----水泵在N2轉(zhuǎn)速時的相似工礦條件下的流量、壓力（或揚(yáng)程）、軸功率。
因此理論上采用轉(zhuǎn)速控制，當(dāng)風(fēng)量、流量減小時，所需功率近似按流量的3次方大幅度下降。
假如轉(zhuǎn)速降低一半，即：N2/N1=1/2，則P2/P1=1/8，可見降低轉(zhuǎn)速能大大降低軸功率達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)轉(zhuǎn)速由N1降為N2時，水泵的額定工作參數(shù)Q、H、P都降低了。但從效率曲線л-Q看，Q2與Q1點(diǎn)的效率值基本是一樣的。也就是說當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時，額定工作參數(shù)相應(yīng)降低，但效率不會降低，有時甚至?xí)岣摺Ｒ虼嗽跐M足操作要求的前提下，水泵仍能在同樣甚至更高的效率下工作。
降低了轉(zhuǎn)速，流量就不再用關(guān)小閥門等來控制，閥門等始終處于全開狀態(tài)，避免了由于關(guān)小閥門等引起的損耗，也就避免了總效率的下降，確保了能源的充分利用。
3 風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)
山東新風(fēng)光是國家高新技術(shù)企業(yè)，生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標(biāo)遠(yuǎn)小于IEEE519-1992的諧波標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補(bǔ)償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機(jī)。
JD-BP38-630F高壓變頻器技術(shù)參數(shù)如表1所示。
4變頻改造控制方案
變頻調(diào)速系統(tǒng)操作方面，有遠(yuǎn)程控制和本地控制兩種控制的方式，這兩種控制方式可提高系統(tǒng)的安全性能。通過上位機(jī)對高壓變頻器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，通過遠(yuǎn)控和本地對變頻器進(jìn)行控制，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示，具有以下功能：變頻啟動、變頻停止、故障復(fù)位、變頻運(yùn)行指示、變頻停止指示、故障輸出、通訊指示，并可在上位機(jī)上顯示變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)定壓力、反饋壓力和當(dāng)前狀態(tài)，實時監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行。
圖1
上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)
為了保證水廠供水系統(tǒng)的可靠性，變頻器裝置具有工頻手動旁路裝置，當(dāng)變頻器發(fā)生故障，停止運(yùn)行時，在確認(rèn)水泵及電機(jī)沒有故障的情況下，電機(jī)可以手動切換到工頻下運(yùn)行，這樣可以保證水泵的供水要求，提高了整個供水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。
水泵變頻系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：為變頻器提供的交流220V控制電源掉電時，由于變頻器的控制電源和主電源沒有相位及同步要求，變頻器可以使用UPS繼續(xù)運(yùn)行，不會停機(jī)；在現(xiàn)場水壓給定信號掉線時，變頻器提供報警的同時，可按原轉(zhuǎn)速繼續(xù)運(yùn)行，維持水泵機(jī)組的工況不變；變頻器配置單元旁路功能，在局部故障時，變頻器可將故障單元旁路，降額繼續(xù)運(yùn)行，減少突然停機(jī)造成的損失，如果變頻器出現(xiàn)3個以上的故障單元，當(dāng)前水泵可轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行，可保證供水不受影響。
5 變頻改造主回路介紹
永州市零陵區(qū)自來水公司水泵系統(tǒng)變頻改造采用1#、2#水泵（電機(jī)功率630kW
/10kV）共用一套JD-BP38-630F（適配630kW
/10kV電機(jī)）高壓變頻器，高壓變頻器采用“一拖二”手動旁路方案。1#、2#水泵一次系統(tǒng)接線圖路如圖2所示，通過切換高壓隔離開關(guān)把高壓變頻器切換到要運(yùn)行的水泵上去。高壓變頻器可以拖動1#供水泵電動機(jī)實現(xiàn)變頻運(yùn)行，也可以通過切換拖動2#供水泵電動機(jī)實現(xiàn)變頻運(yùn)行。兩側(cè)供水泵電動機(jī)均具備工頻旁路功能。
圖2
高壓變頻一次系統(tǒng)接線圖
QF1和QF2分別為現(xiàn)場1#和2#供水泵電源高壓斷路器；
QS11和QS21分別為1#、2#供水泵電源高壓隔離開關(guān)；
QS12、QS22、QS13、QS23為變頻器旁路開關(guān)柜高壓隔離開關(guān)；
變頻器為風(fēng)光JD-BP38-630F高壓變頻器。
高壓變頻器控制電機(jī)為一拖二控制，旁路開關(guān)柜用于工/變頻切換。QS11和QS21為2個高壓隔離開關(guān)，變頻器運(yùn)行時，要求QS11和QS21同時閉合。QS12閉合，QS22斷開，QS13斷開，1#水泵變頻運(yùn)行；QS12斷開，QS13閉合1#水泵工頻運(yùn)行；QS22閉合，QS12斷開，QS23斷開，2#水泵變頻運(yùn)行；QS22斷開，QS23閉合，2#水泵工頻運(yùn)行；其中，QS12與QS13、QS22實現(xiàn)電氣互鎖，QS22與QS23、QS12實現(xiàn)電氣互鎖；將控制柜“遠(yuǎn)控/本控”開關(guān)打至“遠(yuǎn)控”位置，將相應(yīng)水泵斷路器“就地/遠(yuǎn)方”開關(guān)打至“遠(yuǎn)方”位置，通過上位機(jī)可實現(xiàn)水泵的遠(yuǎn)控操作。
6 恒壓供水系統(tǒng)原理、PID設(shè)定及運(yùn)行
由于永州市零陵區(qū)自來水公司，對用水負(fù)荷需要在實際運(yùn)行時進(jìn)行精確調(diào)整和測量，因此采用的是恒壓供水系統(tǒng)，其工作原理如圖3所示，測量元件為壓力傳感器，將它設(shè)在水泵機(jī)組出水口，Vi為恒定供水壓力設(shè)定值，供水壓力V作為輸出量，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器內(nèi)部的PLC采集供水壓力值V與用戶給定值Vi進(jìn)行比較和運(yùn)算，通過PID進(jìn)行調(diào)整，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號送至變頻器，直至達(dá)到供水壓力的給定值Vi。不管系統(tǒng)供水流量如何變化，供水壓力值V始終維持在給定壓力值Vi附近。
圖3恒壓供水系統(tǒng)工作原理框圖
（1）在PID控制中，P系數(shù)加大，可以加快調(diào)節(jié)速度。但如果過大，系統(tǒng)容易因超調(diào)而震蕩。若P太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。P可正可負(fù)。如果比例系數(shù)為正，那么該回路為正作用回路；如果比例系數(shù)為負(fù)，那么該回路為反作用回路。本變頻器P設(shè)定為0.30。
（2）積分I的作用主要是消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。但過強(qiáng)的積分作用使供水系統(tǒng)超調(diào)加大。所以在調(diào)節(jié)過程初期，應(yīng)減弱積分作用，防止產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象；而到過程后期，應(yīng)適當(dāng)增強(qiáng)積分作用，以提高控制精度。本變頻器I設(shè)定為10.0。
風(fēng)光高壓變頻器內(nèi)置PID功能，其中PID 結(jié)構(gòu)參數(shù)具有以下選擇方式：
0：比例 PID 控制只比例增益起作用
1：積分 PID 控制只積分增益起作用
2：比例+ 積分 PID 控制比例增益和積分增益同時起作用
3：比例+ 積分+ 微分 PID 控制比例增益、積分增益和微分增益同時起作用
本變頻器PID參數(shù)PID結(jié)構(gòu)選擇2，比例+積分 PID
控制比例增益和積分增益同時起作用，完全可以滿足供水系統(tǒng)的供水壓力恒定要求，不需要設(shè)定微分參數(shù)。
現(xiàn)場采用壓力閉環(huán)控制，每天分十個時間段來控制給定壓力，具體設(shè)定壓力分段如表2所示。
現(xiàn)場最大壓力設(shè)定：根據(jù)壓力變送器的最大量程來設(shè)定。本案例中壓力變送器的最大量程為950KPa，在950KPa
時變送器輸出信號為20mA，那最大壓力設(shè)置為950KPa，對應(yīng)壓力設(shè)定百分值100%。如圖4中的給定壓力：399 kPa=42.00%*950
kPa。
圖4
給定壓力顯示界面
在上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有豐富的功能。除了可以具有以下功能：變頻啟動、變頻停止、故障復(fù)位外，還可以顯示變頻運(yùn)行指示、變頻停止指示、故障輸出、通訊指示等，并可在上位機(jī)上實時顯示變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)定壓力、反饋壓力和當(dāng)前狀態(tài)。上位機(jī)變頻器實時監(jiān)控運(yùn)行數(shù)據(jù)如表3所示。
7 現(xiàn)場設(shè)備改造效果
水廠水泵變頻節(jié)電改造后，2014年5月初，正式投入生產(chǎn)，至今運(yùn)行正常。系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果：實施變頻改造后，水泵用電量有明顯下降，設(shè)備實現(xiàn)了軟起動，改善了設(shè)備的運(yùn)行工況，極大地減輕了設(shè)備起動時對供配電系統(tǒng)的沖擊。
7.1節(jié)電效果
經(jīng)過廠能源利用監(jiān)測中心測試，根據(jù)泵站供水系統(tǒng)改造之前一個月的報表計算得1000t水耗電率為102度電，改造之后的一個月1000t水耗電率為86度電，按此計算，泵站一年可節(jié)電(102-86)×50×360=288000度電。并且隨著供水量的增加泵站供水系統(tǒng)采用一臺工頻，一臺變頻兩臺高壓電動機(jī)供水方式節(jié)能效果更顯著。
7.2其他效果
（1）改善了工藝。在實際生產(chǎn)操作過程中，泵的流量需時常調(diào)整，不僅需要調(diào)節(jié)參數(shù)，而且備用設(shè)備需時常切換。調(diào)節(jié)參數(shù)時，主要通過調(diào)節(jié)出口閥來控制，人工關(guān)小或開大閥門不僅費(fèi)事，速度慢，也縮短閥門的壽命（填料及閥桿的磨損）。
（2）維護(hù)量減少。采用變頻調(diào)速后，大部分時間里，泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速大大低于泵的額定轉(zhuǎn)速。由于水泵啟動緩慢及轉(zhuǎn)速的降低，減少了泵的零部件密封、軸承的磨損，相應(yīng)地延長了水泵的壽命。
（3）工作強(qiáng)度降低。采用變頻調(diào)速恒壓閉環(huán)調(diào)節(jié)就不用調(diào)節(jié)出口閥，操作工作由動手轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?、監(jiān)控，完全實現(xiàn)生產(chǎn)的無人操作，大大減輕了工人的勞動強(qiáng)度。
（4）現(xiàn)場噪音大大降低，有效改善現(xiàn)場的運(yùn)行環(huán)境，運(yùn)行人員反映良好；便于實現(xiàn)廠循環(huán)水泵機(jī)組控制系統(tǒng)自動化管理。
8結(jié)束語
經(jīng)過實踐的證明，永州市零陵區(qū)自來水公司水廠的水泵變頻改造是成功的，取得的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益是顯而易見的。不僅節(jié)約了大量電能，降低了供水成本；而且增大了供水系統(tǒng)可調(diào)范圍，提高了工作效率，增強(qiáng)了系統(tǒng)安全可靠性。隨著國家目前對節(jié)能減排工作力度空前加大，變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展前景十分廣闊，已迎來歷史黃金發(fā)展時期。
