摘 要：吉林市自来水公司第三水厂扩建后，在可以预见的十年内，水厂供水能力必然有较大的冗余量。采用高压变频调速，能够满足未来十年供水量的频繁变化与调节，确保供水的实效性与经济性两个指标的有效统一，实现了高效节能环保与稳定生产的可控动态平衡。
关键词：高压变频器 高效节能环保
随着人口的增长和经济的发展，吉林市自来水公司第三水厂在原有十万吨日供水能力的基础上，扩建至二十万吨，以适应吉林市未来十年或更长时间经济社会人口的发展水平。取水泵房原配备的355kW/10kV水泵4台以及供水泵房配备的560kW/10kV水泵3台，全部定速运行，由于日夜供水差异较大，需要调节阀门开度或倒开大小水泵。这样水泵频繁启停带来的冲击，会引起电机、水泵、阀门故障率增加，维修费用加大，同时对管网也有很大冲击。因此采用传统调节阀门开度控制流量和压力的方式，必然会造成大量能源浪费。通过综合调研，我公司决定对新扩建部分采用利德华福生产的大功率变频器进行自来水流量及出厂水的恒压控制，从而实现降低能耗、节约成本、提高供水质量，达到自动化水厂的生产需求。
一、自来水生产工艺流程介绍
现将自来水厂水处理工艺流程简述如下：
图1：自来水厂水处理工艺流程
首先要选好合适的水源和取水口，用管道输送至一级泵房（取水泵房）并在一级泵房前加氯以杀灭藻类、植物和贝类动物。再通过一级泵房将水送至厂内处理系统中。通常经过混合（在水源水中加入适量的氯化铝，俗称矾）、反应、沉淀、过滤、消毒等处理工艺，每一工艺配以相应的构筑物（如沉淀池、滤池、清水池等），滤后消毒一般是加氯和氨，投加了消毒剂的水经清水池、并在池内停留一小时左右就成为合格的饮用水，再经过二级泵房（供水泵房）加压输送到城市管网中，供生活饮用和生产使用。
二、高压变频器的应用方案
根据我公司在城市供水行业实际应用的成功经验，为确保供水系统的稳定性、安全性和经济性，供水泵560kW/10kV选用HARSVERT-A10/045带手动一拖二旁路的变频器。它采用直接“高-高”形式，单元串联多电平拓扑结构，每相由8个功率模块串联而成，经过多级移相叠加的整流方式，消除了大部分由独立功率模块引起的谐波电流，大大改善网侧的电流波形，实际测量后网侧电流近似为正弦波，不用更换原来的电机和电缆，完全适合旧设备的改造。取水泵355kW/10kV选用HARSVERT-A10/030原设计采用一拖一运行方式，经过半年多运行来看，取水开一台变频机组就能满足工况要求，另外考虑取水泵定期倒车只能开工频机组，所以我公司决定将原有一拖一运行方式改为一拖二运行方式，这样两台变频机组就可以交替运行，非常经济。
下面是一拖二手动旁路的基本原理（见图2），它是由六个高压隔离开关QS1-QS6组成。其中QS1和QS4,QS2和QS5有电气互锁；QS2和QS3,QS5和QS6安装机械互锁装置。
图2：一拖二手动旁路柜原理图
如果两路电源同时供电，M1工作在变频状态，M2工作在工频状态时，QS3和QS4、QS5分闸，QS1、QS2和QS6处于合闸状态；M2工作在变频状态，M1工作在工频状态时，QS1和QS2、QS6分闸，QS3、QS4和QS5处于合闸状态；如果检修变频器，QS3和QS6可以处于任一状态，其它隔离开关都分闸，两台负载可以同时工频运行；当一路电源检修时，可以通过分合隔离开关使任一电机变频运行。
三、恒压供水系统原理
由于吉林市自来水公司第三水厂是新扩建工程，用水负荷需要在实际运行时进行精确调整和测量，因此我厂采用的是恒压供水系统，其工作原理如图3所示,测量元件为德国E+H公司的压力传感器，将它设在水泵机组出水口，Vi为恒定供水压力设定值，供水压力V作为输出量，构成闭环控制系统。变频器内部的PLC采集供水压力值V与用户给定值Vi进行比较和运算，通过PID进行调整，将结果转换为频率调节信号送至变频器，直至达到供水压力的给定值Vi。不管系统供水流量如何变化，供水压力值V始终维持在给定压力值Vi附近。
图3：恒压供水系统工作原理框图
(1)在PID控制中，比例增益P加大，会使系统的动作灵敏，速度加快，P偏大，振荡
次数加多，调节时间加长。当P太大时，系统会趋于不稳定。若P太小，又会使系统的动作缓慢；
(2)积分I的作用主要是消除系统的静态误差。但过强的积分作用使供水系统超调加大，甚至引起振荡。所以在调节过程初期，应减弱积分作用，防止产生积分饱和现象；而到过程后期，应适当增强积分作用，以提高控制精度；
(3)微分D的作用主要是改善供水系统的动态性能。增大微分时间，有利于加快系统响应，使系统超调量减小，稳定性增加，但抑制外扰能力下降。所以微分时间常数应该在供水系统控制要求的前提下而随机改变。即在调节过程初期，应加大微分的作用，以减小超调；在调节过程中、后期，应不断减小微分时间，以增强系统的抗干扰能力，同时还可以缩短调节时间。
我厂变频器在运行初期，供水系统采用恒压闭环控制，运行中发现运行频率曲线呈锯齿波，上下波动幅度较大，因此对PID系数进行调整，将P由1改为0.01、I由4改为20。通过几次逐步调整，现运行曲线较为平缓，波动幅度相当小。变频器根据偏差相应调节PID的参数，当运行参数远离目标参数时，调节幅度加快，随着偏差的逐步接近，跟踪的幅度逐渐减小，近似相等时，系统达到一个动态平衡，维持供水系统的恒压稳定状态。
四、变频器的运行情况：
三水厂取水泵采用开环运行方式，根据清水池水位手动调节频率，一般频率运行在38Hz-45Hz之间。
三水厂供水泵采用闭环运行方式，运行参数如下：
通过测试发现变频器运行在37Hz及以下机泵不出水，所以我们把最低频率限制在38Hz。在日常运行中，早上4点加开一台工频机组，当变频器频率达39Hz左右，关闭工频机组，只运行一台变频器；在下午16点用水高峰时，再加开工频机组。这样合理开关车既满足了出厂水压力，同时又节约了大量能源。
五、系统应用效果：
水泵电机采用高压变频器进行调速运行后，在有效的调速区段内运行十分平稳，与原来全部工频电机运行相比，由于变频器对电机实现了柔性启动，启动电流大大减小，对机组没有任何冲击，相应延长了设备的使用寿命，大大减轻了维护工作量，减少了维护成本。
变频器有效的水压闭环控制功能，使水压调节平滑可靠，转速无波动。电机与多功能阀门联动，只要给定频率，电机启动，多功能阀自动开启，使得开关机组变得简单。
变频器投入运行后，由于电网侧功率因数提高到0.96以上，在各种负荷下，电网侧电流大大下降，电机的无功电流由变频器直接补偿。
节能方面，我厂进行了测试：在同种工况下，采用单台机组电度表分别计量的方式，单台机组节电率达32%，这么高的节电率加上合理开关机组，我厂每年将节电100万元。
三水厂取水、送水变频器正式投产以来至今，连续运行近两年，为水厂正常供水提供了强有利的保障。HARSVERT-A变频器具有免维护的特点，只需每个月更换柜门上的滤网。变频器的应用降低了系统对管路密封性能的破坏，延长了设备的使用，同时维护量减小很多，提高了系统的自动化程度，节约了大量电能和水资源，切实响应了国家节能降耗的号召。
参考文献
[1].高压变频调速系统HARSVERT-A系列技术手册 北京利德华福电气技术有限公司
[2].诸 静.模糊控制原理与应用.机械工业出版社，1995，P338～355.
作者简介
吉林市自来水公司三水厂技术室 刘晶
北京利德华福电气技术有限公司技术工程部 晏鹍
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