变频器在水行业节能降耗中的巨大作用（－2）
日期：2008-11-18 0:04:38 来源：中国自动化网
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1 引言
中央“十一五”建议中指出：“大力推进节能节水节地节材，加快企业节能降耗的技术改造，对消耗高、污染重、技术落后的工艺和产品实施强制性淘汰制度”。
请看一下我国水行业在能耗方面的情况。据2002年统计：中国能源消耗强度为1.18吨标准煤/千美元GDP，远远高于发达国家。创造每万元GDP所消耗的能源数量，是美国的3倍，德国的5倍，日本的6倍。我国每年由于各行业建设的迅速发展制成的生态和环境破坏带来的损失占GDP的比重达8%以上。我国的水资源，年平均总量为27115亿立方米，扣除重复计算量，水资源总量居世界第六位，但人均水资源不到世界人均水资源的1/4，人均水资源占有量（97年）排名第121位，被联合国列为13个贫水国家之一。预计到21世纪中叶，我国人均水资源量将降为1700立方米，水资源紧缺形势将更加严重。而水资源地区分布又严重不协调，要花费巨资搞南水北调等工程。
随着十一五规划的实施，缺电缺水将更加严重。近年来，许多城市限水限电。国家每年出巨资进行大规模的给水排水建设。据统计及预测：全国城市每年缺水2000×104m3/d，污水排放量从1981年迅速增到6×108m3/d，工业废水猛增到200×108m3/d，我国每年新建扩建上水处理厂近600×104m3/d，污水处理厂的处理能力为700×104m3/d左右。当前情况是：一方面国家拨巨资进行建设，另一方面由于老一套的经济运转模式，存在严重的污染和浪费。综观当前国内水工业市场，绝大多数是老企业，设备陈旧，工艺及供电设备老化，自动化水平低下，水耗药耗材耗严重，先进控制技术极少采用。就是近几年来新建扩建改建的水处理工程，花了不少投资组建的FCS、DCS、PLC监控系统也不是名符其实的，不能进行网络化监控，造成许多资源白白浪费。更有许多处理厂站，存在先天性的不足，工艺设计不合理，工艺流程布局混乱，变电站远离负荷中心，使得电力电缆和控制电缆大多太长。特别是水泵机组的配置不够科学，使得给排水系统的电耗居高不下。每顿水的单位电耗远远超过欧美、日本等国家。水工业的降耗节能到了克不容缓的地步。水工业市场遇到了巨大的挑战，也给我们提供了巨大的空间和舞台。水工业各大系统节能降耗要做的文章大多了。下面谈一下我的看法。
2 变频器在源水取水泵站中的应用
水工艺专家们，对取水泵站选泵设计时，都是考虑供水保证率达到95～99%的最低原水水位时泵站最大出水量的供水规模。大家知道，枯水期间，江河水位最低，水泵所需的扬程最高，而冬季的供水量很少；丰水期间，江河水位上升，夏季是高峰供水阶段，供水量最大，但水泵的静扬程不需要很高。由于某种原因，非正常供水也有可能经常出现：如夏季高峰供水时出现特大干旱，此时江河水位也可能下降到最低点，而此时供水量又要求最大；冬季枯水期时也可能需要特大的供水量。这样，投入巨资升建的取水泵站，将不能发挥作用，按设计规范选定的扬程和流量参数将会变得非常不合理，运行能耗和基建投资浪费很大。
一个供水系统的取水泵站，其综合水泵扬程是由几何高差和管道摩阻所组成。当江河水域远离取水泵站时，其供水管道就很长，按这种情况选取几何高差较小时，管道摩阻数值所占比重都增大，而冬季或夏季后半夜时，配水扬程就变得很低，水泵的工作点就会远离高效区。见图1。
图1 水泵不同调流方式运行工况图
水泵的特性曲线有Q－H，Q－N，Q－η，Q－G是管道特性曲线。它们分别表示流量与扬程、流量与轴功率，流量与效率，流量与管道摩阻特性之间的关系。
水量总是变化的。当用水量减小时，如果水泵正常运转，则系统压力将增高，当流量减小到75%和50%时，可以看到：系统压力憋高，而Hf将加大，Q－G曲线平移到Q′－G′，Q″－G″曲线上，它们与Q－H曲线交于A′和A″点，水泵工作效率降低了，大量的水头势能损失掉了，管网漏水量也将大大增加。为了使水泵工作效率仍保持在高效区，采用关小出水闸阀角度来调流，由图1可知，水头势能全浪费在闸阀上，闸阀就极容易被破坏。
为了适应流量的变化，可改变水泵运转合数和组合，此时，水泵的工作点将运转在低效率上，大量的能源将浪费在管道的水头损失上。
如果采用变频调速，从公式（2）、（3）、（4）、（5）可知，当流量减少到75%和50%时，Q－H曲线平移至Q′－H′和Q″－H″，效率曲线Q－η移至Q′－η′和Q″－η″。可见水泵效率（B，B′B″点）基本不变，仍在高效区域内，而水泵所需的轴功率都相应减小了，转速下降了，水头损失不存在，但其工作效率却很高。还有，水泵组合的扬程处处能与管道综合的系统阻力相适应，能始终保持管网未稍的压力稳定。所以说，变频调速是水泵机组节能降耗的最佳选择。北京市第九水厂、第八水厂的加压泵站，天津市引滦工程、深圳东湖取水泵站，南水北调所有的输水泵站，全国许多大中小型城市的取水输水泵站，近十几年均采用了变频调速装置。
东北市政设计院设计的引英入连供水工程水源泵站，2001年正式投产，其供水能力为66万m3/d，共5台2800kW的卧式离心水泵，其中4台水泵机组选用Simovert MV电压源型变频器，采用三电平的磁场定向失量控制技术，逆变侧采用了大功率全控器件高压IGBT元件，因为IGBT元件的开通和关断过程都是连续可控的，无需附加其它电路，就能实现dv/dt控制，减小了电机和变压器上的dv/dt。由于采用了KTY84器件，可在线的得到高精度的转矩控制，Simovert MV是一种可靠性很高的变频器，四年来一直运转良好，其节电效果非常明显：每年节电452万度，每度电按0.6元计算，则每年均能省电费536万元。而取水泵站的全部调速装置投资为800万元，不到二年，就收回了基建投资。
3 变频器在给水处理厂站中的应用
给水处理工艺流程，一般为进水、配水井、絮凝沉淀、过滤、清水池、配水泵房，送入配水管网；还有加药、加氯、加氨等附助系统，中间还有回流泵房等。
每个城市的供水系统，每个水厂，水量变化是绝对的。春夏秋冬时变化系数和日变化系数都很大。净配水厂的流量变化系数：
由此可见，净配水厂比取水厂站的流量变化更大，给水处理厂更要考虑科学的调流降耗的措施。流量的千变万化，索连着整个处理系统的不断变化，如絮凝沉淀、各种过滤的处理程序，加氯、加氨加药的随机变化，以及回流泵房等，都要采取各种先进监控技术来调节变化。这些先不提了，重点研究一下送水泵房大容量水泵机组的调节问题。
上世纪八十年代中期，我院承担的日产百万吨的北京市第九水厂设计中已充分认识了这个问题。从整个工艺流程到变配电设备选型，不是按最高日最高时的流量和其对应的压力为工作点来选水泵和水泵组合；而是在满足最大设计水量的基础上，尽量使调速高效特性曲线接近系统的特性曲线，也就是说，尽量将各种调速泵组合的高效区能套入出现机率最高的工作段或点上。调速水泵台数，应在全年内运行工况中开泵出现次数最多的台数为需要的台数，而备用选泵用定速泵。见图2，九厂配水泵特性曲线图。
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中央“十一五”建议中指出：“大力推进节能节水节地节材，加快企业节能降耗的技术改造，对消耗高、污染重、技术落后的工艺和产品实施强制性淘汰制度”。
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请看一下我国水行业在能耗方面的情况。据2002年统计：中国能源消耗强度为1.18吨标准煤/千美元GDP，远远高于发达国家。创造每万元GDP所消耗的能源数量，是美国的3倍，德国的5倍，日本的6倍。我国每年由于各行业建设的迅速发展制成的生态和环境破坏带来的损失占GDP的比重达8%以上。我国的水资源，年平均总量为27115亿立方米，扣除重复计算量，水资源总量居世界第六位，但人均水资源不到世界人均水资源的1/4，人均水资源占有量（97年）排名第121位，被联合国列为13个贫水国家之一。预计到21世纪中叶，我国人均水资源量将降为1700立方米，水资源紧缺形势将更加严重。而水资源地区分布又严重不协调，要花费巨资搞南水北调等工程。
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随着十一五规划的实施，缺电缺水将更加严重。近年来，许多城市限水限电。国家每年出巨资进行大规模的给水排水建设。据统计及预测：全国城市每年缺水2000×104m3/d，污水排放量从1981年迅速增到6×108m3/d，工业废水猛增到200×108m3/d，我国每年新建扩建上水处理厂近600×104m3/d，污水处理厂的处理能力为700×104m3/d左右。当前情况是：一方面国家拨巨资进行建设，另一方面由于老一套的经济运转模式，存在严重的污染和浪费。综观当前国内水工业市场，绝大多数是老企业，设备陈旧，工艺及供电设备老化，自动化水平低下，水耗药耗材耗严重，先进控制技术极少采用。就是近几年来新建扩建改建的水处理工程，花了不少投资组建的FCS、DCS、PLC监控系统也不是名符其实的，不能进行网络化监控，造成许多资源白白浪费。更有许多处理厂站，存在先天性的不足，工艺设计不合理，工艺流程布局混乱，变电站远离负荷中心，使得电力电缆和控制电缆大多太长。特别是水泵机组的配置不够科学，使得给排水系统的电耗居高不下。每顿水的单位电耗远远超过欧美、日本等国家。水工业的降耗节能到了克不容缓的地步。水工业市场遇到了巨大的挑战，也给我们提供了巨大的空间和舞台。水工业各大系统节能降耗要做的文章大多了。下面谈一下我的看法。
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2 变频器在源水取水泵站中的应用
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水工艺专家们，对取水泵站选泵设计时，都是考虑供水保证率达到95～99%的最低原水水位时泵站最大出水量的供水规模。大家知道，枯水期间，江河水位最低，水泵所需的扬程最高，而冬季的供水量很少；丰水期间，江河水位上升，夏季是高峰供水阶段，供水量最大，但水泵的静扬程不需要很高。由于某种原因，非正常供水也有可能经常出现：如夏季高峰供水时出现特大干旱，此时江河水位也可能下降到最低点，而此时供水量又要求最大；冬季枯水期时也可能需要特大的供水量。这样，投入巨资升建的取水泵站，将不能发挥作用，按设计规范选定的扬程和流量参数将会变得非常不合理，运行能耗和基建投资浪费很大。
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一个供水系统的取水泵站，其综合水泵扬程是由几何高差和管道摩阻所组成。当江河水域远离取水泵站时，其供水管道就很长，按这种情况选取几何高差较小时，管道摩阻数值所占比重都增大，而冬季或夏季后半夜时，配水扬程就变得很低，水泵的工作点就会远离高效区。见图1。
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水泵的特性曲线有Q－H，Q－N，Q－η，Q－G是管道特性曲线。它们分别表示流量与扬程、流量与轴功率，流量与效率，流量与管道摩阻特性之间的关系。
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水量总是变化的。当用水量减小时，如果水泵正常运转，则系统压力将增高，当流量减小到75%和50%时，可以看到：系统压力憋高，而Hf将加大，Q－G曲线平移到Q′－G′，Q″－G″曲线上，它们与Q－H曲线交于A′和A″点，水泵工作效率降低了，大量的水头势能损失掉了，管网漏水量也将大大增加。为了使水泵工作效率仍保持在高效区，采用关小出水闸阀角度来调流，由图1可知，水头势能全浪费在闸阀上，闸阀就极容易被破坏。
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如果采用变频调速，从公式（2）、（3）、（4）、（5）可知，当流量减少到75%和50%时，Q－H曲线平移至Q′－H′和Q″－H″，效率曲线Q－η移至Q′－η′和Q″－η″。可见水泵效率（B，B′B″点）基本不变，仍在高效区域内，而水泵所需的轴功率都相应减小了，转速下降了，水头损失不存在，但其工作效率却很高。还有，水泵组合的扬程处处能与管道综合的系统阻力相适应，能始终保持管网未稍的压力稳定。所以说，变频调速是水泵机组节能降耗的最佳选择。北京市第九水厂、第八水厂的加压泵站，天津市引滦工程、深圳东湖取水泵站，南水北调所有的输水泵站，全国许多大中小型城市的取水输水泵站，近十几年均采用了变频调速装置。
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给水处理工艺流程，一般为进水、配水井、絮凝沉淀、过滤、清水池、配水泵房，送入配水管网；还有加药、加氯、加氨等附助系统，中间还有回流泵房等。
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每个城市的供水系统，每个水厂，水量变化是绝对的。春夏秋冬时变化系数和日变化系数都很大。净配水厂的流量变化系数：
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由此可见，净配水厂比取水厂站的流量变化更大，给水处理厂更要考虑科学的调流降耗的措施。流量的千变万化，索连着整个处理系统的不断变化，如絮凝沉淀、各种过滤的处理程序，加氯、加氨加药的随机变化，以及回流泵房等，都要采取各种先进监控技术来调节变化。这些先不提了，重点研究一下送水泵房大容量水泵机组的调节问题。
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上世纪八十年代中期，我院承担的日产百万吨的北京市第九水厂设计中已充分认识了这个问题。从整个工艺流程到变配电设备选型，不是按最高日最高时的流量和其对应的压力为工作点来选水泵和水泵组合；而是在满足最大设计水量的基础上，尽量使调速高效特性曲线接近系统的特性曲线，也就是说，尽量将各种调速泵组合的高效区能套入出现机率最高的工作段或点上。调速水泵台数，应在全年内运行工况中开泵出现次数最多的台数为需要的台数，而备用选泵用定速泵。见图2，九厂配水泵特性曲线图。
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