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賓館熱水供水系統(tǒng)中變頻調(diào)速水泵與工頻水泵的應(yīng)用

1 引言 

      隨著國家對節(jié)能工作重視力度的加大，變頻調(diào)速技術(shù)已成為企業(yè)關(guān)注的焦點。高壓電機因功率大、能耗高的特點，一直是節(jié)能領(lǐng)域的重點，由此加裝高壓變頻器成為企業(yè)節(jié)能的首選。但高壓變頻器價格昂貴，占地面積大是其加裝改造的弊端。在企業(yè)中由于一個工藝系統(tǒng)由多臺電機并聯(lián)運行組成，在節(jié)能改造中全部加裝高壓變頻器費用較高。

2 c03系統(tǒng)泵組工頻運行情況

      csp水處理c03泵組共8臺水泵，配用電機額度功率710kw，額定電壓10kv。單臺泵電機運行電流40a～45a，手動閥門開度30%，電動閥門全開。該系統(tǒng)主要負責(zé)給連軋用于供軋機工作輥直接冷卻用水，每用水5-10min就停用一段時間(停用時間根據(jù)具體生產(chǎn)情況確定)。由于其生產(chǎn)工藝特點，泵組運行過程中在csp生產(chǎn)線鋼坯軋制間隙用水量減少30%，由此產(chǎn)生了c03泵組單純工頻運行的一些缺陷。

(1)工頻運行情況下，水泵出口閥門開度低，水泵運行效率低；

(2)負荷變化大，水泵大部分時間處于憋壓狀態(tài)，對水泵造成損害，造成了維護費用的增加；

(3)系統(tǒng)在用水量減少時，電機電流無變化，浪費了大量的電能。

3 c03系統(tǒng)調(diào)速水泵和工頻水泵的并聯(lián)運行設(shè)計原理

      c03系統(tǒng)在運行過程中，根據(jù)用戶用水情況，用水量在峰值時流量在5000t/h，管網(wǎng)壓力1.1mpa時間約5min。用水量在谷值時流量在3000t/h，管網(wǎng)壓力1.7mpa，時間約3min。整體運行時用水量在峰值與谷值之間波動，變化頻繁，不具備通過開停泵緩解管網(wǎng)壓力的條件。由此選擇對2臺水泵進行變頻改造，以緩解壓力，節(jié)約電費。

      在設(shè)計中，系統(tǒng)正常運行時，有2臺工頻水泵與2臺變頻水泵并聯(lián)進行供水。對此系統(tǒng)進行分析時，首先將2臺工頻水泵視為1臺泵，設(shè)為泵i。另由于2臺變頻水泵的閉環(huán)壓力信號取自管網(wǎng)的同一點，2臺變頻水泵同時進行調(diào)節(jié)，此時將2臺變頻水泵視為1臺，設(shè)為泵ii。

4 賓館熱水供水系統(tǒng)實施方案

(1)對c03系統(tǒng)中7#和8#水泵加裝高壓變頻調(diào)速裝置。同時保留csp水處理c03水泵的原控制方式、保護裝置等。高壓變頻器串入原控制系統(tǒng)與電機之間。

(2)變頻器參數(shù)設(shè)定時根據(jù)現(xiàn)場工藝要求，結(jié)合水泵性能曲線設(shè)定。同時結(jié)合變頻調(diào)速水泵運行曲線，調(diào)整工頻泵出口閥門開度，以求最大節(jié)電效率。

(3)現(xiàn)場合閘回路中串接一個變頻器發(fā)出的“合閘允許”信號，以保證水泵需要在變頻狀態(tài)運行時，變頻器在具備上電條件后才能閉合上級進線開關(guān)。

(4)現(xiàn)場跳閘回路中并接一個變頻器發(fā)出的“事故跳閘”信號，以保證在變頻器系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重故障或者檢測到現(xiàn)場需要停機的事故后，能夠及時聯(lián)跳上級進線開關(guān)。

(5)為保證變頻器事故或者檢修時水泵仍能在工頻狀態(tài)下繼續(xù)工作，變頻器系統(tǒng)配有手動旁路柜，水泵的運行可進行變頻/工頻狀態(tài)的切換。

(6)如圖2所示的旁路柜切換說明：10kv電源可以經(jīng)變頻裝置輸入刀閘qs1到高壓變頻調(diào)速裝置，變頻裝置輸出經(jīng)出線刀閘qs2送至電動機；10kv電源還可以經(jīng)旁路刀閘qs3直接起動電動機。變頻裝置的輸出刀閘qs2和旁路刀閘qs3互相閉鎖，即qs2和qs3不會同時閉合。變頻運行時，閉合qs1和qs2，同時qs3斷開；工頻運行時，斷開qs1和qs2，同時qs3閉合。當變頻裝置出現(xiàn)故障或者工程檢修時， 將變頻器的隔離開關(guān)打到工頻狀態(tài)，使變頻裝置與供電以及生產(chǎn)過程隔離，而水泵在工頻電源下正常運行，以保證生產(chǎn)的安全運行。

(7)啟動時，按下原操作系統(tǒng)“啟動”后，高壓斷路器合閘，然后從上位機系統(tǒng)啟動變頻器，變頻器按照設(shè)定曲線運行；停機時，從上位機系統(tǒng)“停止”變頻器運行，變頻器按照設(shè)定曲線停機，此時變頻器高壓進線端仍帶電，然后按下原操作系統(tǒng)“停機”后，高壓斷路器分閘。工頻啟/停方式在變頻器轉(zhuǎn)換柜進行電源切換后，不改變原有操作方式。

(8)閉環(huán)控制：變頻器根據(jù)管道壓力信號的反饋值控制水泵的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)母管壓力的穩(wěn)定，co3系統(tǒng)母管壓力范圍為：1.1～1.7mpa。

5 賓館熱水供水系統(tǒng)方案實施過程中遇到的問題

5.1高壓變頻調(diào)速泵與工頻泵并聯(lián)供水的配置方案

      c03系統(tǒng)供8臺泵并聯(lián)使用，日常開4臺泵。從前面的分析很容易知道，高壓變頻調(diào)速泵與工頻泵并聯(lián)供水時，調(diào)速泵的容量需滿足最大的峰谷調(diào)節(jié)能力。c03系統(tǒng)由于工藝的原因，用水量變化較大，單臺調(diào)速泵不能滿足其最大峰谷的調(diào)節(jié)，因此需同時開2臺調(diào)速泵進行調(diào)節(jié)。那么，在流量大幅度變化時，就不存在定速泵的再投入和再切除問題，控制和操作簡單，能夠平穩(wěn)控制水壓。

5.2調(diào)速水泵的最低允許轉(zhuǎn)速

      調(diào)速水泵的最低允許轉(zhuǎn)速一直是高壓變頻器重要的參數(shù)設(shè)定，在高壓變頻調(diào)速水泵與工頻水泵并聯(lián)使用的系統(tǒng)中此問題尤為突出。主要考慮以下2個因素。

(1)調(diào)速水泵的調(diào)速范圍要滿足系統(tǒng)運行的最大峰谷值。

從圖1特性曲線看出，如果管網(wǎng)總流量為q2，管網(wǎng)水壓為h1，定速泵將仍然以n1速度運行，達到出口壓力h2時提供的流量為q2，運行于b點，單臺水泵就已經(jīng)滿足供水要求。這時調(diào)速泵降速到n4速度運行，達到出口壓力h2時提供的流量為0。

如果管網(wǎng)總流量進一步下降，而仍然要保持管網(wǎng)水壓為h2，調(diào)速泵轉(zhuǎn)速將降到n4以下，這時調(diào)速水泵雖然正轉(zhuǎn)，但開始出現(xiàn)水倒流現(xiàn)象(如果沒有配置止回閥)。定速泵多出的供水能力將被調(diào)速水泵所消耗，真正出現(xiàn)能量浪費現(xiàn)象。

      在用變頻器作調(diào)速水泵的驅(qū)動時，應(yīng)將變頻器的最低頻率限制在n4轉(zhuǎn)速之上。變頻器作恒壓運行過程中，如果達到這個最低頻率點，應(yīng)該切除1臺工頻泵，由調(diào)速泵提速后繼續(xù)運行(假設(shè)調(diào)速泵和工頻定速泵容量相同)，滿足供水要求。

(2)調(diào)速水泵的機械震動問題

      傳統(tǒng)的水泵都是按工頻全速運轉(zhuǎn)設(shè)計的，一般只在最高轉(zhuǎn)速下長期運行，僅在啟動過程中短時經(jīng)歷其他轉(zhuǎn)速點，所以難保在除工頻之外的其他頻率點上不存在機械共振現(xiàn)象。將傳統(tǒng)的水泵用調(diào)速裝置驅(qū)動調(diào)速運行后，除工頻點之外，水泵也可能在調(diào)速區(qū)域的所有頻點上長時間運行，所以，需要在整個調(diào)速區(qū)域?qū)λ脵C組作機械共振測定。如果存在機械共振頻點，應(yīng)該將機械共振頻點對應(yīng)的頻率輸入變頻器，防止變頻器在這些特殊的頻率點上長時間運行。

      經(jīng)過技術(shù)人員在現(xiàn)場測量，根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求計算，要保證系統(tǒng)管網(wǎng)壓力在1.1～1.7mpa下運行，需頻率的調(diào)節(jié)范圍應(yīng)低于40hz，而c03系統(tǒng)高壓變頻調(diào)速水泵在運行頻率低于35hz時易出現(xiàn)機械震動的情況。隨將高壓變頻的低頻設(shè)置在35hz,以保證生產(chǎn)的順利進行。

5.3水泵最佳效率運行點

      水泵在設(shè)計時，有一個效率最佳的運行點。出口壓頭過大或過低，流量過大或過小，雖然水泵仍然可以運行，但達不到最佳效率。c03系統(tǒng)原工頻系統(tǒng)，根據(jù)工藝生產(chǎn)的需要調(diào)節(jié)閥門的開度控制流量，開度較小，水泵未運行在最佳效率點。通過高壓變頻水泵與工頻水泵并聯(lián)，通過變頻水泵調(diào)節(jié)壓力，減少了工頻水泵的壓力，使其通過調(diào)節(jié)閥門，以達到最佳效率運行點(最佳效率運行點的確定是通過水泵說明書中的曲線圖進行摸索調(diào)節(jié))。

6 賓館熱水供水系統(tǒng)節(jié)能情況分析

      通過調(diào)速水泵與工頻水泵并聯(lián)，降低了投資，同時通過對工頻泵閥門的調(diào)節(jié)，使其運行在最佳效率點。既滿足了生產(chǎn)，又使系統(tǒng)節(jié)電效益最大化。

經(jīng)濟效益分析如下：

在工頻運行條件下，記錄30天實際耗電量，平均耗電量625 kw.h/h，在變頻運行條件下，記錄30天實際耗電量，平均耗電量405 kw.h/h 。

節(jié)電率：(625-405)÷625×100% = 35%；

年創(chuàng)效：(625-405)×24×350× 0.6 =110.88萬元/臺；

社會效益：電機啟動平穩(wěn)，對電網(wǎng)沒有沖擊，滿足連軋生產(chǎn)工藝和用水量頻繁變化的需求，且管道壓力保持平穩(wěn)，有效避免對管道和水泵的沖擊，對各方面節(jié)能效果明顯。

7 賓館熱水供水系統(tǒng)應(yīng)用效果

c03泵組使用北京動力源hinv高壓變頻器調(diào)速水泵與工頻水泵并聯(lián)使用后，主要效果表現(xiàn)在：

(1)2臺變頻調(diào)速水泵與工頻水泵并聯(lián)使用，滿足了工藝生產(chǎn)的需要的同時增加了調(diào)速的范圍，使系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)的保障能力。

(2)對于單臺高壓變頻水泵而言由直起變?yōu)檐浧?，起動電流減小，電機在低頻下起動，起動電流較小，避免了較大慣性負荷情況下，大電流對設(shè)備和電網(wǎng)的沖擊。由于閥門全開，提高了運行效率，延長了設(shè)備得使用壽命，降低了維修強度。

(3)由于采用了管道壓力反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，使得變頻器隨用戶的用量自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使水泵的運行更能適應(yīng)生產(chǎn)的需要，提高了設(shè)備運行效率。

8 結(jié)束語

      c03系統(tǒng)自從使用北京動力源hinv高壓變頻器調(diào)速水泵與工頻水泵并聯(lián)運行方式以來，單臺水泵節(jié)能效果明顯。整個系統(tǒng)因調(diào)整了水泵的運行效率點，提高了系統(tǒng)的保障能力。既節(jié)約了投資，又能使設(shè)備運行更加穩(wěn)定。該運行方式的使用，為我國大型企業(yè)節(jié)能改造的方案制定提供了一個可以參考的思路。