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变频恒压调速技术在炼铁厂供水系统中的应用
来源：曹汉礼 张 强 韩慧臻 吴玉涛 樊 峰 许 妍 |浏览：次|评论：0条 [收藏] [评论]
摘 要：在我国变频恒压供水技术已有十多年发展历史，经多年研究和应用，该技术已十分成熟，在社会上取得了巨大的经济效益和社会效益。现我厂1#水源井变频恒压调速供水就是一个很好的事例。
关键词：变频 恒压 调速技术 节能 水泵
l 前 言
在我国变频恒压供水技术已有十多年发展历史，经多年研究和应用，该技术已十分成熟。在技术性能和工作运行方面，变频恒压供水控制具有很多优点。首先，管网压力恒定，水量分配平稳，管网水锤作用趋近于零，可节省管网维护费用；其次，全天候运行，根据实际生产工艺需要设定水压自动控制运行；第三，整机性能稳定，使用寿命长，对电源过流、过载、超压、低压和缺相等均有自动保护功能，本装置操作简单，安全可靠，机械损失小，在社会上取得了巨大的经济效益和社会效益。现我厂1#水源井变频恒压调速供水就是一个很好的事例。
我厂l#水源井供水范围较广，供水性质复杂，负责供应风机、水泵、竖球的冷却用水以及运输部煤台火车用水。为满足生产工艺要求，正常水管网压力必须保证0．25MPa。对于风机、水泵、竖球的冷却用水基本为稳定耗水，但运输部煤台火车用水为间歇性上水，煤台火车每次上水供水管网压力下降0．05MPa左右，导致整个供水管网压力波动较大，各用户水量分配不平稳，管网产生水锤作用，影响整机稳定性，缩短其使用寿命。为弥补这种工艺用水的缺陷，我厂1#水源井采用变频恒压供水自动控制方式。这种压力闭环控制，系统供水任何变化均能使供水管网的服务压力保持在给定压力，以求最大限度的节能、节水、节资，并使系统处于可靠运行的状态。
2 变频恒压调速原理
(1)变频器的基本原理
由电机理论可知，其转速公式为
n＝60f／p×(1一s)
其中P一电动机的极对数
s一转差率
f一供电电源的频率
n一电动机的转速
由上式可看出，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，而对于变频器而言，其频率的调节范围是很宽的，可在0～400Hz之间任意调节，因此电机转速即可以在较宽的范围内调节。
当然，转速提高后，还应考虑到对其轴承及绕组的影响，防止电机过分磨损及过热，一般最高频率设在50Hz或55Hz。
现在我们应用的变频器都是交一直一交电压源型变频器，其电路如图1示：
(2)变频器恒压调速工作原理
变频器恒压调速工作原理是变频器在电流模拟信号控制调速的前提下，采用负反馈闭环控制方式，控制水源出口压力的方法进行控制，即利用差压变送器检测水源出水管网压力送至PID调节器，经PID调节器转换输出4．20mA反馈电流信号并与整定值比较进行控制。当水源出口压力高于整定水压时，通过差压变送器检测，经PID调节器转换，反馈回控制回路中控制变频工作的电流信号为负值，控制变频器总工作电流信号减小，变频器输出频率降低；当水源出口压力低于整定水压时，通过差压变送器检测，经PID调节器转换，反馈回控制回路中控制变频工作的电流信号为正值，控制变频器总工作电流信号增大，变频器输出频率增加。总之，因反馈信号连续变化，变频器工作状态随之自动调整，依据变频器的基本工作原理，水源井井底深潜泵的转速不断在改变，从而控制水源出口水压保持恒定，实现恒压供水的目的，其控制原理图如图2示。
3 节能效益分析
供、排水属于流体力学范畴，由流体力学的基本定律可知：泵类设备为平方转矩负载，其流量Q与转速n，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n，H∝n2，P∝m3；即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。
以我厂1#水源井水泵为例，在现场控制中，通常采用水泵定速运行出口阀门控制压力，此时水泵始终处于额定转速，流量一定，控制压力越高，管网阻力越大，管道、阀门使用寿命约短。如果采用调速手段改变水泵的转速n，在压力同等的前提下，流量减小、电机负荷减轻、管网阻力减小，能耗势必降低，水泵的运行也更趋合理。此时，电机节省的功耗比较采用阀门开度调节和水泵转速控制，显然使用水泵转速控制更为有效合理，具有显著的节能效果，设备运行工况也将得到明显改善。
3．2功率因数补偿节能
无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，由公式P＝S×COSΦ，Q＝S×SINΦ，其中S一视在功率，P一有功功率，Q一无功功率，COSΦ一功率因数，可知COSΦ越大，有功功率P越大，普通水泵电机的功率因数在0．6～0．7之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，COSΦ≈1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。
3．3软启动节能
由于电机为直接启动或Y／△启动，启动电流等于(4～7)倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。
4 节能计算
4．1 对于泵类设备采用变频调速后的节约电能效果。采用根据已知泵类在不同控制方式下的现场运行的负荷变化情况进行计算。
以我厂型号为：300－QJ160×75／3的深潜泵为例，额定流量300m3／h，配备电动机的额定功率90KW。泵在阀门调节压力0．25MPa和转速调节压力0．25MPa时的负荷情况为：前者电机运行电流114A，后者电机运行电流78A。根据运行要求，水泵连续24小时运行，全年运行时间在340天。
则每年的节电量为：
W1＝P×T＝0．4×114×1．732×24×340＝644470KWh
W2＝P×T＝0．4×78×1．732×24×340＝440953KWh
W节：W1－W2＝644470—440953＝203517KWh
每度电按0．43元计算，则每年可节约电费87512元。
4．2变频节约用水
根据实际数据统计，我厂1#水源井水泵改用变频恒压控制后，一年节约用水约14000吨，每吨水资源费为：0．8元，则每年可节约电费11200元。
4．3降低设备维修费
1#水源井水泵采用变频控制后设备和阀门的使用寿命延长，节省设备维护费用每年按5000元计算。
通过上述计算，一年总累计节约费用为：103712元。
5 结 语
风机、泵类等设备采用变频调速技术实现节能运行是我国节能的一项重点推广技术，受到国家政府的普遍重视，是企业降本挖潜的主要手段之一。实践证明，变频器用于风机、泵类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式。既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，还降低了停产周期。直接和间接经济效益十分明显，设备一次性投资通常可以在12个月到15个月的生产中全部收回。
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