变频调速水泵在保山市城市供水的应用初探

zanggxg · 发表于 2012-12-20 17:51:32

变频调速水泵在保山市城市供水的应用初探

李国强（云南省保山市自来水公司）

保山市自来水公司现有三座水厂和一座供水站，日综合供水能力6万吨，供水人口18万人。一水厂位于龙泉公园内，水厂高程1700m，水源是易罗池泉水，日供水量0.8—1.0万m3，采用水泵提升供水；二水厂位于正阳北路，水厂高程1670m，水源是龙王潭泉水，日供水量2.0万m3，采用水泵提升供水；新建的三水厂位于城西北，水厂高程1710m，水源是北庙水库，日供水量可达到3.0万m3，采用重力供水；老鼠山供水站位于城西高山，水池高程1814m，日供水量仅有0.08—0.2万m3，采用纯重力供水。
  由于保山市城区地形高差大，供水范围高程在1721～1643m之间，最大高差达78m，加之管网口径配置不适应城市发展要求、水厂位置偏低等原因，致使城区南小区、新华小区、升阳小区、九龙小区、园丁小区和杏花小区等片区供水不畅，尤其是园丁小区和新开发的杏花小区，由于城市发展较快，用水需求较大，位置较高，其他水厂都无法满足。老鼠山供水站位置较高，但供水量十分有限，尤其是每年2月～5月的枯水期，可供水量仅800m3左右，无法保证近23万人的用水。往年，我们都是用2台IS80—50—200离心水泵从公司二水厂高位水池抽水直接压到该片区供水管网，耗电量大，压力不均匀，供水可靠性极低。
  2002年下半年，我向公司提出了在老鼠山供水片区做试点，使用变频调速水尜恒压供水，解决老鼠山供水惩区供水严重不足的局面。这一设想得到了公司的认可并决定成立课题组，由我负责该项目工艺的具体设计和实施，其他同志负责配套土建和其他工作。经过半年多的设备了解、咨询、采购和配套土建工程建设，2003年2月5日安装调试完毕投入试运行，经过两个月的试运行，4月5日正式通过验收，得到验收组的一致好评，同意投入使用。现将我公司杏花加压泵站使用变频调速水泵恒压供水的有关情况小结如下：
  一、变频调速水泵的基本原理：
  变频供水设备主要由变频器、控制系统及传感器等部分组成。其工作原理是：控制系统通过控制变频调速器将50Hz交流电以0～50Hz之间任意频率变送输出，害现交流电机的无级调速，最终达到生产过程的定量控制、最优化控制。当变频系统为开环时，设备可以人为设定输出任意频率控制电机转速；当变频系统为闲环时，随着反馈要求的变化，根据设定值，自动跟踪输出相应的频率。
  离心泵通常由三相交流异步电机拖动，对水泵的调速是通过对其电机转速的调节来实现的。
  异步电动机转速n=no(l-s)=60f/p(l-s)
  式中：f—供电频率；
  p—电机极对数；
  s—转差率(0～3%或0～6%)。
  由上述转速公式可见，电机转速n和供电频率f成正比，只要设法改变三相交流电动机供电频率f，就能十分方便地改变了电动机的转速n，比改变极对数p和转差率s两个参数简单得多。
  实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。如果电压不变，频率下调至小于50Hz，会使电机气隙磁通φ(约等于v/f)饱和；反之，电压不变，频率向上调至大于50Hz，则使磁通减弱。所以，真正应用变频调速时，一般需要同时改变电压和频率，以保持磁通基本恒定。因此，变频调速器又称为VVVF(变压变频)装置。
  根据水泵叶轮相似定律及其特例比例律，水泵供水流量Q与电机转速n成正比，供水扬H与n2成正比，水泵轴功率N与n3
  成正比。根据变频调速传动理论和异步电动机转速公式可知，对于平方转矩负功，电机转速n和供电频率f成正比，电机消耗功率N与频率比的立方成正比。因此，应用变频调速技术，调节供电频率f，就可以调节电机转速n，从而调节水泵轴功率，最终达到节电效果。
  例如，对于以f=35HZ运转的平方转短负载，根据比例律计算：
  N1/N=(n1/n)3，则：
  N1=(n1/n)3×N=(35/50)3N=34.3%N
  即，理论上讲只需34.3%的额定电能，其理论变频节电率可达65.7%。
  当然，这一节电率仅公是就理论计算而言，实际节电率的高低，关键还在于选择合适的调速水泵，以及水泵工况点要尽可能选择在高效区范围内，以免降低水泵总效率，否则，将会得不偿失。如何选择水泵高效区工况及如何匹配水泵，再此不做赘述。
  二、设备选型：
  根据我公司杏花加压泵站供水片区的需水量情况和建筑物高程的调查统计，该片区近五年内最大用水量将达到6000m3/d，建筑物最不利点距水泵高差36m，考虑沿程损失、局部损失和用户发展等因素，确定该泵站工作条件为最大供水量6000m3/d，即Q=250m3/h，供水压力H=40m。
  同时考虑供水的连续性，满足整个供水片区都有足够的压力，并且随用水量的增加或减少，相应调节设备工况达到最佳节能工作状况，采用变频恒压供水。另外，考虑噪音问题，选用低噪音水泵。通过咨询了解，我们选用了上海连成公司生产的LBP系列变频调速恒压供水设备，其核心是交流变频技术和微机控制技术。采用ABB公司变频器或其他知名品牌变频器、智能控制器、压力传感器及配套系列水泵组成的控制系统。能自动调节水泵的转速和运行台数，使供水管网的压力保持设定的压力和所需流量，从而达到提高供水品质和高效节能的目的。
  具体选型如下，装配图见附后：
  1、水泵组：主泵四台，三用一备，为SLZW型臣式低噪音单级单吸离心泵，电机冷却系统为水冷。
  型号：SLZW100—200，Q=70～130m3/h,H=42m～54m,N=22kw
  2、变频恒压控制柜：采用人机界面、触摸屏。一控四，三用一备。型号：LBP—GM—22/4+2.2
  3、设两台小流量附泵：一用一备，目的在夜间或少量用水时只用小流量泵工作，主泵处于停机状态，以避免电能浪费。
  型号：50GDL18-15×4，Q=18m3/d,H=60m,N=5.5kw
  4、水泵电控柜：系统为压力控制，自动交替切换，故障时备用泵自行投入运行。
  型号LEC-2Acp-5.5
  该系统设备主泵有四台，全部可软启动，均可变频调速，若按正顺序启动则按逆顺序停止。在几台水泵并联供水时，只有一台泵是变频调速泵，其余为恒速泵。在水泵山水管附近安装压力传感器，并将出水口压力信号反馈给变频恒压控制柜，控制水泵按设计给定的压力自动选择水泵的开停及台数，由用户需水量决定水泵供水量。
  三、变频调速水泵恒压供水的特点：
  我公司通过对该设备几个月的使用，认为变频调速水泵恒压供水有如下特点：
  1、供水压力稳定：
  系统实现闭环控制，传感器返回系统压力，通过与设定值的比较，输出相应频率，拖动水泵运行在相应的转速，使系统压力保持恒定。该系统供水范围主要是城市高区，压力设定值为0.4Mpa。
  2、高效节能：
  系统能按需设定压力，根据设定的压力自动调节水泵转速和水泵运行台数，使设备运行在高效节能的最佳工作状态。
  3、操作方便简单，稳定可靠：
  系统由变频器或变频器加智能控制器自动控制，可实行无人操作，操作简单。配有自动/手动开关控制，保证设备的安全连续运行。
  4、延长电机水泵寿命：
  各泵皆为软启动，输出频率由0平滑地逐渐上升，电压从0逐渐上升到额定电压，停机时，输出频率从运行频率平滑地逐渐下降到0，电压从运行电压按比例逐渐下降到0，实现了软羸动和软停止，消除了起动时的冲击电流，有效避免水锤，延长了设备的使用寿命。各泵循环软起动，使各泵不会因长久不用而生锈或使用频繁而磨损。
  5、完善的保护功能：
  具有短路、过流、过压、过热、过载等多种保护功能，水泵如有故障，自动停止工作并报警输出；系统具有自检、故障判断、故障记忆、故障显示、自动启动备用泵等功能。
  6、小流量附属小泵自动运行功能：
  配接小流量附属小泵，使系统在夜间或其他小流量情况下，自动关闭主泵，开启附属小泵，从而避免了因开大功率水泵而造成的浪费。
  7、各泵均为环保型低噪音水泵。
  8、通讯串通行口能和计算机连接，可实现计算机联网直接控制。
  四、经济效果分析：
  我公司杏花加压泵站采用上海连成LBP系列变频调速供水设备，SLZW100—200泵，利用ABB公司的ACS400变频器对其控制运行。其中，Q=100m3/h,H=50m,其电机输入电压U为380V，额定电流I为42.2A，额定转速n为2950r/min，功率因数cosΦ为0.91。为验证变频器控制水泵运行的节能效果，我们对我公司原使用于该片区加压供水的离心水泵直供、现用水泵工频供水和调频供水进行了比较测试。

项目

原用离心泵

现用水泵工频

现用水泵工频

公司一、二水厂
  水泵工频（全年）

型号

IS80-50-200

SLZW100-200



额定流量（m3/h）

50

100



额定扬程（m）

50

50



额定转速(n/min)

2900

2950



额定功率(kw)

15

22



频率（Hz）

50

50



额定电流（A）

11.1

42.2



测试期供水量（m3）

12500

7800

10909

843万

测试期耗电量（kwh）

4375

1993

2130

255万

千万水耗电

（kwh/1000m3）

350

255.5

195.25

302.49

千度电供水

（m3/1000kwh）

2857.14

3914

5121.6

3305.88


  测试结果表明：水泵变频供水与水泵工频供水，在千方水耗电上具有明显的优越性。以上测试的杏花加压泵站现用的同种型号水泵，变频运行比工频运行千方水节电60.25kwh，节电率23.58%。按最佳经济运行时计算，我公司以上片区年供水量约788765 m3，则年节电：788765/1000×60.25=47523(kw.h)。按现行电价0.31元/kwh计算，年节约电费约：47523×0.31=14732.13元。
  由上可见，我公司在杏花加压泵站使用变频调速恒压供水，提高了供水压力，改善了供水状况，取得了良好的社会效益；在节约电能，降低消耗上取得了明显的经济效益。为将这一成绩继续巩固和推广，逐步改善保山市城区供水状况，我公司决定在杏花加压泵站使用变频调速供水取得初步成果的基础上，改造我公司第一自来水厂3号机组、取消高位水池，直接用大流量、低扬程变频调速水泵供水。
  五、结论：
  交流变频设备的使用为许多工业生产过程带来了高质量和高效益，在供水行业水泵运行的应用也越来越多。随着人们对交流变频技术的认识和应用水平的不断提高，变频调速在供水降耗中所起的作用也将逐步被人们认可、掌握和进一步推广。许多行业和供水应用都表明，节约电耗，保护设备，降低成本，提高效益，变频调速技术是一项很好的选择。
  在传统的水泵供水过程中，由于用户需水量的不确定性，常常需要通过转换泵或者通过节流阀来调节输出流量，这不仅造成对泵的损耗，而且大大降低泵的工作效率，使电耗升高，还难以满足用水户对水压和水量的要求。供水企业的生产成本中，供水水泵电耗占据了近50%的比例。变频调速水泵应运而生，水泵电机采用变频器进行调速，既可以克服常规调节范围小的缺点，而且调速平滑稳定，调速范围宽，机械特性硬，有效的保护了水泵的电机设备。更为重要的是，利用变频调速技术，可以大大降低水泵的电耗，节约生产成本，提高企业经济效益，同时还可以逐步取消屋顶水箱，降低基建投资，提高供水服务压力，消除供水二次污染，并将为进一步推广实行的抄表到户奠定基础。有效利用好变频调速水豆，关键是要掌握好变频调速技术特点，调节好水泵高效区工况。因此，变调速水泵恒压供水具有广阔的应用前景，是当前供水行业实行区域性供水，节能降耗的理想选择。

taolong · 发表于 2013-6-13 14:54:07

也许似乎大概是，然而未必不见得。

xuesn · 发表于 2015-11-15 05:57:00

严重支持！

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