作者：陳運(yùn)珍單位：北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院

摘要：
從給水排水系統(tǒng)特點(diǎn)出發(fā)，分析了幾種調(diào)流技術(shù)的實(shí)際效果，論述了水工業(yè)領(lǐng)域調(diào)速節(jié)能的必要性，同時(shí)指出采用各種調(diào)速裝置中應(yīng)注意的問題。
關(guān)鍵詞：水工業(yè)領(lǐng)域；調(diào)速技術(shù)；節(jié)能；調(diào)速裝置

Abstract:
In terms of the character of water supply and drainage system, the experiments of design and operation of water and wastewater projects, and the comparison among the different variable-speed devices were carried out to study on application of the speed variation and energy conservation technique in water industry field.

Keywords:
water industry field; speed variation; energy conservation;
Variable-speed devices

1．城市水工業(yè)系統(tǒng)特點(diǎn)

1.1 城市供水系統(tǒng)工況特點(diǎn)
(1) 一個(gè)城市的供水系統(tǒng)特點(diǎn)，就是多水源、多泵站、多水廠、多管網(wǎng)、變化大。一年之中，隨季節(jié)而變的日變化，一日之內(nèi)又隨時(shí)間而變化的時(shí)變化。

設(shè)計(jì)中一般均以高日高時(shí)為設(shè)計(jì)點(diǎn)，表面上看已滿足了供水需求，但實(shí)際上大部分系統(tǒng)均不能滿足實(shí)際的水變化。一個(gè)供水系統(tǒng)，一個(gè)水廠的綜合水泵揚(yáng)程是由幾何高差和管道磨阻變化所組成。而幾何高差是不變的，而管道磨阻是隨流量的平方而變化。當(dāng)輸配水管道距離長(zhǎng)而選的幾何高差較小時(shí)，管道磨阻在揚(yáng)程中所占比重就增大；而在后半夜或所需供水量極小時(shí)，配水揚(yáng)程就變得很低，將使水泵的工作點(diǎn)遠(yuǎn)離高效區(qū)。

(2) 變化系數(shù)




1.2 城市排水系統(tǒng)及污水處理的特點(diǎn)
城市排水系統(tǒng)和污水處理也像給水處理一樣，其水量也是隨時(shí)間而變化，雨季和旱季相差就很大。如果只靠增減泵的臺(tái)數(shù)，是滿足不了實(shí)際變化的工況。特別是長(zhǎng)江、黃河等流域的各大城市，在暴雨時(shí)節(jié)，對(duì)大城市是個(gè)嚴(yán)重的威脅，只增減臺(tái)數(shù)，不設(shè)置調(diào)速裝置將無法完成排放雨水的要求。

2. 變頻調(diào)速是各種調(diào)流方式的最佳選擇及其節(jié)能的原理分析




2.2 為了使水泵工作效率仍保持在高效區(qū)，采用關(guān)小出水閘閥的角度來調(diào)流，此時(shí)，水頭損失全浪費(fèi)在閘閥上。

2.3 為了適應(yīng)流量的變化，可改變水泵運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)和組合，此時(shí)，水泵的工作點(diǎn)將運(yùn)轉(zhuǎn)在低效率上，大量的能源將浪費(fèi)在管道的水頭損失上。




2.5 實(shí)例分析
北京市水源九廠開始設(shè)計(jì)時(shí)，打破了常規(guī)做法，不是按最高日最高時(shí)的流量和其對(duì)應(yīng)的壓力為工作點(diǎn)來選不同容量水泵和水泵組合；而是在滿足最大設(shè)計(jì)水量的基礎(chǔ)上，盡量使調(diào)速高效特性曲線接近系統(tǒng)的特性曲線，也就是說，盡量將各種調(diào)速泵組合的高效區(qū)能套入出現(xiàn)機(jī)率最高的工作段或點(diǎn)上。調(diào)速泵臺(tái)數(shù)，應(yīng)在全年內(nèi)運(yùn)行工況中開泵出現(xiàn)次數(shù)最多的臺(tái)數(shù)為需要的臺(tái)數(shù)，而備用泵選用定速泵。

先看取水泵站。取水泵站的各種臺(tái)數(shù)組合的高效中心線，均在系統(tǒng)特性曲線的左側(cè)。在設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)時(shí)，應(yīng)將高效中心線包入最大流量點(diǎn)的曲線段，曲線向右下方移動(dòng)，流量加大而揚(yáng)程降低，使其與4臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)特性曲線重合或靠近，水泵綜合運(yùn)轉(zhuǎn)效率就會(huì)更高。從系統(tǒng)分析看，水泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)4臺(tái)為最經(jīng)濟(jì)，考慮分期建設(shè)，第一期選用兩臺(tái)容量最大的水泵調(diào)速將更經(jīng)濟(jì)合理。

再看配水廠站配置。從電算可知，首期2臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)機(jī)率最高，其次為3臺(tái)，同時(shí)各種臺(tái)數(shù)組合的高效區(qū)均能包入高日高時(shí)流量的基礎(chǔ)上向右下方移動(dòng)，見圖二。加大額定流量降低額定揚(yáng)程，使配水泵綜合的高效中心線介于兩三臺(tái)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)系統(tǒng)特性曲線之間，二期后同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)需要4臺(tái)，再考慮日變時(shí)變率，運(yùn)轉(zhuǎn)泵均為調(diào)速泵比較合理。當(dāng)一臺(tái)調(diào)速泵有故障時(shí)，三調(diào)一定運(yùn)轉(zhuǎn)，其綜合效率降低一點(diǎn)，而工作揚(yáng)程還是較高。所以，備用泵選用定速泵比較經(jīng)濟(jì)合理。

3. 水工業(yè)系統(tǒng)中可選用的幾種調(diào)速設(shè)備
3.1 液力偶合器調(diào)速裝置。
是將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能通過泵輪和渦輪之間油的傳遞獲得機(jī)械能。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，有一定的節(jié)能效果。缺點(diǎn)是功率丟失，占地面積加大，有3％的能源損耗，油路導(dǎo)管有漏油等問題存在。20世紀(jì)60年代用的多些。

3.2 電磁滑差離合器調(diào)速裝置。
由電樞和磁極兩部分組成，電樞與電動(dòng)機(jī)同軸，電樞切割磁力線感應(yīng)渦流，產(chǎn)生電磁力，推動(dòng)磁極跟著旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)水泵轉(zhuǎn)動(dòng)，改變勵(lì)磁電流大小，就可改變水泵的轉(zhuǎn)速。該裝置價(jià)格便宜，維護(hù)量小，有節(jié)電效力。其缺點(diǎn)是低速運(yùn)行時(shí)損耗大、效率低，占地面積大，一般用于630KW以下的水泵機(jī)組。

3.3 串級(jí)調(diào)速裝置
我國進(jìn)入20世紀(jì)70年代至80年代，水工業(yè)和其他行業(yè)一樣，大量采用串級(jí)調(diào)速裝置。串級(jí)調(diào)速裝置又分內(nèi)反饋和外反饋二大類。大中型水泵調(diào)速采用外反饋的串級(jí)調(diào)速很多，它是將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率經(jīng)過整流和逆變，經(jīng)反饋?zhàn)儔浩鲗⒍嘤嗟碾娔芊答伣o電網(wǎng)。它的優(yōu)點(diǎn)是可無級(jí)平滑調(diào)速，總效率還可以。它的缺點(diǎn)是調(diào)速范圍不大，需增設(shè)起動(dòng)電阻和電容補(bǔ)償，功率因數(shù)低，低速時(shí)更低。ABB公司的串級(jí)調(diào)速裝置，系統(tǒng)經(jīng)過改造，主要元器件篩選嚴(yán)格，在深圳東湖取水泵站等地，運(yùn)轉(zhuǎn)良好。國產(chǎn)的串級(jí)調(diào)速裝置，運(yùn)轉(zhuǎn)中常出毛病，上世紀(jì)末已基本不用了，許多國內(nèi)生產(chǎn)廠家相繼流產(chǎn)。

3.4 變頻調(diào)速裝置
從上世紀(jì)80年代開始，我國水工業(yè)真正步入了變頻調(diào)速時(shí)代。如北京水源九廠、深圳梅林水廠、上海原水公司和自來水公司、上海排水管理公司、天津自來水公司、重慶自來水公司、石家莊自來水公司、昆明、成都、潮州、大慶油田等自來水公司的幾十個(gè)大中型水廠和泵站都選用了變頻調(diào)速裝置。水泵電機(jī)容量從315KW到2500KW，采用變頻調(diào)速裝置的臺(tái)數(shù)近300臺(tái)以上。200KW以下容量選用變頻調(diào)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(duì)電網(wǎng)公害大，抑制諧波的措施比較復(fù)雜，在價(jià)格和可靠性上失去了優(yōu)勢(shì)，在水工業(yè)領(lǐng)域中已很少采用了。

220KW至3000KW水泵機(jī)組可選擇的變頻調(diào)速裝置有以下六種：
(1) “中－低－中”變頻器
用一臺(tái)降壓變壓器把中壓變?yōu)榈蛪?，?jīng)低壓變頻器變頻，再由輸出變壓器升為中壓，優(yōu)點(diǎn)是變頻器價(jià)格低，缺點(diǎn)是增加了占地面積和成本，增加了兩級(jí)變壓器損耗，升壓變壓器的采用是技術(shù)上的失誤，可靠性大大降低了，在低速時(shí)，變壓器效率更低，功率因數(shù)也低。

(2) 低壓大功率變頻器
國產(chǎn)低壓變頻器已做到1000KW，國外已做到2000KW。要指出的是，用低壓變頻器去拖動(dòng)6KV的電動(dòng)機(jī)是不合理的，改造電機(jī)接線方法，電壓就變成了3.47KV，使用3.3KV變頻器就不成問題了。建議盡量選用1.7KV、2.3KV、3.3KV電動(dòng)機(jī)。

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

(4) 中－中壓變頻器
a) 中壓IGBT PWM變頻器。電壓為2.3KV、3.3KV、4.16KV，容量為800KW至4000KW，額定效率為98.5%，額定功率因數(shù)≥0.96，中壓IGBT是低壓IGBT基礎(chǔ)上發(fā)展的新品種，系統(tǒng)器件由60支減為24支，電路簡(jiǎn)化了，可靠性提高了。

b) 中壓IGCT PWM變頻器。電壓為2.3KV、3.3KV和4.16KV，容量為315KW至6500KW，額定效率>98%，額定功率因數(shù)>0.95。

中壓IGCT是在GTO元件基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新產(chǎn)品，它保留了GTO導(dǎo)通壓降小，電壓和電流高的特點(diǎn)，又克服了GTO開關(guān)性能差的缺點(diǎn)，是一件非常理想的兆瓦、中壓開關(guān)器件。GTO體積大，損耗大，而IGCT芯片厚度減小到與二極管差不多；這就大大簡(jiǎn)化了電壓變頻器結(jié)構(gòu)，其觸發(fā)功率小，開關(guān)一致性好，可方便串并聯(lián)，又進(jìn)一步擴(kuò)大了功率范圍。一臺(tái)4.16KV變頻器，使用6KV的IGCT只需要12支器件，是低壓IGBT的1/5件，中壓IGBT的1/2件。由于器件電壓提高，數(shù)量減少，使得變頻器電路更加簡(jiǎn)化，可3電平、4電平或5電平電路，變頻器輸出端裝有濾波器及dV/dt限制器，可配普通6KV電機(jī)，也可配用較低電壓的多相電機(jī)，為了限制高次諧波，變頻器輸入端為12相整流，也可18相或24相整流。

(5) 多重式多級(jí)串聯(lián)中壓變頻器
美國ROBICON公司、日本安川、富士、東芝公司、我國利德華福等公司，都先后推出了多重式多級(jí)串聯(lián)中壓變頻調(diào)速裝置。采用多電平結(jié)構(gòu)和多級(jí)低壓小功率IGBT PWM變頻單元串聯(lián)輸出中壓變頻電，實(shí)現(xiàn)了大功率集成。其輸入電壓在2.3KV至13.8KV之間，輸出電壓2.3KV~6KV，容量為800KW～5600KW，國內(nèi)為315KW～2500KW，額定效率≥96％，額定功率因數(shù)≥0.95。但必須指出，同一容量采用中壓設(shè)備不但價(jià)格貴得多，且可靠性也下降了。

(6) 無刷雙饋電機(jī)調(diào)速
無刷雙饋電機(jī)具有繞線異步機(jī)的特性，無刷和無滑環(huán)，是2臺(tái)繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子共軸，2轉(zhuǎn)子繞組聯(lián)接，第一臺(tái)電機(jī)的定子繞組接電網(wǎng)，輸入功率通過轉(zhuǎn)子傳給第2臺(tái)電機(jī)的定子繞組，第2臺(tái)電機(jī)的定子繞組稱控制繞組，按串調(diào)或雙饋裝置接線實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這是一個(gè)很有希望的中壓節(jié)能調(diào)速方案，在國外已有成功經(jīng)驗(yàn)，效果很好。其調(diào)速裝置可以是交一直－交變頻器，也可以是交－交直接變頻器。即可是電壓型，也可是電流型。雙饋比串調(diào)復(fù)雜，但容量可省一半；既可向下調(diào)速，也可超同步向上調(diào)速，故又稱雙饋。其變頻器可采用先進(jìn)的IGCT器件，具有廣闊的應(yīng)用前景。

4. 水工業(yè)領(lǐng)域中采用調(diào)速技術(shù)應(yīng)注意的問題
(1) 改變過去傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的老套路。一個(gè)城市的給排水、流量變化幅度大，帶來的揚(yáng)程變化也很大，如果選用大小不同容量的水泵機(jī)組，形成多種流量組合，但時(shí)常由于揚(yáng)程的變化仍然處于低效運(yùn)行中，采用調(diào)速將能取得較高的高效運(yùn)行曲線。

(2) 盡量做到大水泵、少臺(tái)數(shù)高效運(yùn)行。水泵的調(diào)速能適應(yīng)流量、揚(yáng)程的變化，就可以少安裝較多的臺(tái)數(shù)和大小不同容量的組合，也就為選用大容量少臺(tái)數(shù)的新思路帶來有利的條件。大水量少臺(tái)數(shù)的型號(hào)相同的水泵機(jī)組不但有效地提高了運(yùn)行效率，也可以減少泵站的面積和減少進(jìn)出水管、閥門、開關(guān)、電纜等輔助設(shè)備，降低了單位水量的造價(jià)。

(3) 采用大容量少臺(tái)數(shù)相同型號(hào)機(jī)組組合，再因地制宜合理選用調(diào)速泵組；可以實(shí)現(xiàn)大容量機(jī)組軟起動(dòng)，可以有效地減少水泵開停次數(shù)，同時(shí)使供水的調(diào)度管理方便靈活，使服務(wù)壓力變化平穩(wěn)，完全能消除開停泵的壓力波動(dòng)，特別是可以消除水錘的嚴(yán)重危害，延長(zhǎng)機(jī)泵等設(shè)備的使用壽命，提高服務(wù)質(zhì)量。

(4) 設(shè)計(jì)選型時(shí)要盡量擴(kuò)大水泵高效工作范圍：水泵調(diào)速后，使水泵的特性曲線由一條曲線擴(kuò)大成一個(gè)面，水泵的工作點(diǎn)由一個(gè)點(diǎn)擴(kuò)大成沿管道特性曲線的一個(gè)線段。如果水泵選擇合理，就能使高效區(qū)包住出現(xiàn)機(jī)率較多的工作點(diǎn)，從而使泵站的總體效率處于高效區(qū)。

(5) 調(diào)速泵的特性選擇和臺(tái)數(shù)的選定：調(diào)速泵的各設(shè)計(jì)組合在能滿足最大設(shè)計(jì)水量的基礎(chǔ)上，盡量使調(diào)速高效特性曲線，接近系統(tǒng)的特性曲線，或者說，盡量將各種流量組合的高效區(qū)能套入出現(xiàn)機(jī)率最高的工作點(diǎn)。一個(gè)泵站的調(diào)速臺(tái)數(shù)要以全年中運(yùn)行工況開泵出現(xiàn)機(jī)率較多的臺(tái)數(shù)為需要的調(diào)速臺(tái)數(shù)。一般定速泵作為備用泵運(yùn)行較為經(jīng)濟(jì)合理。

一個(gè)現(xiàn)代化城市的迅猛發(fā)展，加速了水工業(yè)系統(tǒng)工程的大量上馬。水工業(yè)領(lǐng)域中的泵類負(fù)荷約占全國用電負(fù)荷的40％?？v觀我國水工業(yè)系統(tǒng)絕大部分都設(shè)備陳舊、技術(shù)落后、耗能嚴(yán)重。1998年發(fā)布的我國“節(jié)約能源法”明文規(guī)定：“逐步實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，發(fā)展電機(jī)調(diào)速節(jié)電和電力電子技術(shù)”；“十五”規(guī)劃又進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)：“積極開展資源回收利用大力提高資源綜合利用率”，“加快轉(zhuǎn)換工業(yè)增長(zhǎng)方式，改善質(zhì)量節(jié)能降耗”、“鼓勵(lì)采用高新技術(shù)，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)”。

生產(chǎn)機(jī)械的自動(dòng)化和現(xiàn)代化，是水工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)，采用交流機(jī)變頻調(diào)速等高新技術(shù)是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要手段，是電氣傳動(dòng)方面的一場(chǎng)革命。技術(shù)設(shè)備落后，是我們很多水廠無法低成本、高質(zhì)量生產(chǎn)的根源，大力推廣變頻調(diào)速優(yōu)化調(diào)度等高新技術(shù)，就有可能使老設(shè)備一步到位的進(jìn)入二十一世紀(jì)，調(diào)速節(jié)能勢(shì)在必行，齊心協(xié)力，讓水工業(yè)在我們的手里盡快優(yōu)化升級(jí)。

參考文獻(xiàn)：
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3. 畢延齡：“水泵調(diào)速技術(shù)在城市給水工程中的應(yīng)用與節(jié)電計(jì)算”。