賓館熱水供水系統中變頻調速水泵與工頻水泵的應用
賓館熱水供水系統中變頻調速水泵與工頻水泵的應用
1 引言
隨著國家對節能工作重視力度的加大，變頻調速技術已成為企業關注的焦點。高壓電機因功率大、能耗高的特點，一直是節能領域的重點，由此加裝高壓變頻器成為企業節能的首選。但高壓變頻器價格昂貴，占地面積大是其加裝改造的弊端。在企業中由于一個工藝系統由多臺電機并聯運行組成，在節能改造中全部加裝高壓變頻器費用較高。
2 c03系統泵組工頻運行情況
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。該系統主要負責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(停用時間根據具體生產情況確定)。由于其生產工藝特點，泵組運行過程中在csp生產線鋼坯軋制間隙用水量減少30%，由此產生了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，對水泵造成損害，造成了維護費用的增加；
(3)系統在用水量減少時，電機電流無變化，浪費了大量的電能。
3 c03系統調速水泵和工頻水泵的并聯運行設計原理
c03系統在運行過程中，根據用戶用水情況，用水量在峰值時流量在5000t/h，管網壓力1.1mpa時間約5min。用水量在谷值時流量在3000t/h，管網壓力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，節約電費。
在設計中，系統正常運行時，有2臺工頻水泵與2臺變頻水泵并聯進行供水。對此系統進行分析時，首先將2臺工頻水泵視為1臺泵，設為泵i。另由于2臺變頻水泵的閉環壓力信號取自管網的同一點，2臺變頻水泵同時進行調節，此時將2臺變頻水泵視為1臺，設為泵ii。
4 賓館熱水供水系統實施方案
(1)對c03系統中7#和8#水泵加裝高壓變頻調速裝置。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與電機之間。
(2)變頻器參數設定時根據現場工藝要求，結合水泵性能曲線設定。同時結合變頻調速水泵運行曲線，調整工頻泵出口閥門開度，以求最大節電效率。
(3)現場合閘回路中串接一個變頻器發出的“合閘允許”信號，以保證水泵需要在變頻狀態運行時，變頻器在具備上電條件后才能閉合上級進線開關。
(4)現場跳閘回路中并接一個變頻器發出的“事故跳閘”信號，以保證在變頻器系統出現嚴重故障或者檢測到現場需要停機的事故后，能夠及時聯跳上級進線開關。
(5)為保證變頻器事故或者檢修時水泵仍能在工頻狀態下繼續工作，變頻器系統配有手動旁路柜，水泵的運行可進行變頻/工頻狀態的切換。
(6)如圖2所示的旁路柜切換說明：10kv電源可以經變頻裝置輸入刀閘qs1到高壓變頻調速裝置，變頻裝置輸出經出線刀閘qs2送至電動機；10kv電源還可以經旁路刀閘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。當變頻裝置出現故障或者工程檢修時， 將變頻器的隔離開關打到工頻狀態，使變頻裝置與供電以及生產過程隔離，而水泵在工頻電源下正常運行，以保證生產的安全運行。
(7)啟動時，按下原操作系統“啟動”后，高壓斷路器合閘，然后從上位機系統啟動變頻器，變頻器按照設定曲線運行；停機時，從上位機系統“停止”變頻器運行，變頻器按照設定曲線停機，此時變頻器高壓進線端仍帶電，然后按下原操作系統“停機”后，高壓斷路器分閘。工頻啟/停方式在變頻器轉換柜進行電源切換后，不改變原有操作方式。
(8)閉環控制：變頻器根據管道壓力信號的反饋值控制水泵的轉速，實現母管壓力的穩定，co3系統母管壓力范圍為：1.1～1.7mpa。
5 賓館熱水供水系統方案實施過程中遇到的問題
5.1高壓變頻調速泵與工頻泵并聯供水的配置方案
c03系統供8臺泵并聯使用，日常開4臺泵。從前面的分析很容易知道，高壓變頻調速泵與工頻泵并聯供水時，調速泵的容量需滿足最大的峰谷調節能力。c03系統由于工藝的原因，用水量變化較大，單臺調速泵不能滿足其最大峰谷的調節，因此需同時開2臺調速泵進行調節。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，能夠平穩控制水壓。
5.2調速水泵的最低允許轉速
調速水泵的最低允許轉速一直是高壓變頻器重要的參數設定，在高壓變頻調速水泵與工頻水泵并聯使用的系統中此問題尤為突出。主要考慮以下2個因素。
(1)調速水泵的調速范圍要滿足系統運行的最大峰谷值。
從圖1特性曲線看出，如果管網總流量為q2，管網水壓為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，單臺水泵就已經滿足供水要求。這時調速泵降速到n4速度運行，達到出口壓力h2時提供的流量為0。
如果管網總流量進一步下降，而仍然要保持管網水壓為h2，調速泵轉速將降到n4以下，這時調速水泵雖然正轉，但開始出現水倒流現象(如果沒有配置止回閥)。定速泵多出的供水能力將被調速水泵所消耗，真正出現能量浪費現象。
在用變頻器作調速水泵的驅動時，應將變頻器的最低頻率限制在n4轉速之上。變頻器作恒壓運行過程中，如果達到這個最低頻率點，應該切除1臺工頻泵，由調速泵提速后繼續運行(假設調速泵和工頻定速泵容量相同)，滿足供水要求。
(2)調速水泵的機械震動問題
傳統的水泵都是按工頻全速運轉設計的，一般只在最高轉速下長期運行，僅在啟動過程中短時經歷其他轉速點，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象。將傳統的水泵用調速裝置驅動調速運行后，除工頻點之外，水泵也可能在調速區域的所有頻點上長時間運行，所以，需要在整個調速區域對水泵機組作機械共振測定。如果存在機械共振頻點，應該將機械共振頻點對應的頻率輸入變頻器，防止變頻器在這些特殊的頻率點上長時間運行。
經過技術人員在現場測量，根據生產工藝的要求計算，要保證系統管網壓力在1.1～1.7mpa下運行，需頻率的調節范圍應低于40hz，而c03系統高壓變頻調速水泵在運行頻率低于35hz時易出現機械震動的情況。隨將高壓變頻的低頻設置在35hz,以保證生產的順利進行。
5.3水泵最佳效率運行點
水泵在設計時，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系統原工頻系統，根據工藝生產的需要調節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，通過變頻水泵調節壓力，減少了工頻水泵的壓力，使其通過調節閥門，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節)。
6 賓館熱水供水系統節能情況分析
通過調速水泵與工頻水泵并聯，降低了投資，同時通過對工頻泵閥門的調節，使其運行在最佳效率點。既滿足了生產，又使系統節電效益最大化。
經濟效益分析如下：
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 。
節電率：(625-405)÷625×100% = 35%；
年創效：(625-405)×24×350× 0.6 =110.88萬元/臺；
社會效益：電機啟動平穩，對電網沒有沖擊，滿足連軋生產工藝和用水量頻繁變化的需求，且管道壓力保持平穩，有效避免對管道和水泵的沖擊，對各方面節能效果明顯。
7 賓館熱水供水系統應用效果
c03泵組使用北京動力源hinv高壓變頻器調速水泵與工頻水泵并聯使用后，主要效果表現在：
(1)2臺變頻調速水泵與工頻水泵并聯使用，滿足了工藝生產的需要的同時增加了調速的范圍，使系統運行更加穩定，提高了系統的保障能力。
(2)對于單臺高壓變頻水泵而言由直起變為軟起，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，大電流對設備和電網的沖擊。由于閥門全開，提高了運行效率，延長了設備得使用壽命，降低了維修強度。
(3)由于采用了管道壓力反饋的閉環控制系統，使得變頻器隨用戶的用量自動調節轉速，使水泵的運行更能適應生產的需要，提高了設備運行效率。
8 結束語
c03系統自從使用北京動力源hinv高壓變頻器調速水泵與工頻水泵并聯運行方式以來，單臺水泵節能效果明顯。整個系統因調整了水泵的運行效率點，提高了系統的保障能力。既節約了投資，又能使設備運行更加穩定。該運行方式的使用，為我國大型企業節能改造的方案制定提供了一個可以參考的思路。
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