應(yīng)用案例 | 變頻器在自來水廠中的應(yīng)用

摘要：在供水系統(tǒng)中電能的消耗約占自來水成本的35%左右，其中很大一部分都是由大量的水泵消耗的。本文根據(jù)自來水行業(yè)的工藝特點(diǎn)，介紹了希望森蘭SBH系列高壓變頻器在獨(dú)山自來水廠的應(yīng)用，為自來水行業(yè)變頻應(yīng)用提供一種新的解決方案。

關(guān)鍵字：供水、SBH系列變頻器、解決方案

一、前言  

隨著人口的增長和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，獨(dú)山縣十二五規(guī)劃期間第一大民生工程獨(dú)山自來水廠在原有基礎(chǔ)上新建了近期五萬噸日供水工程，遠(yuǎn)期規(guī)劃擴(kuò)建十萬噸日供水。為獨(dú)山縣的廣大市民提供充足的自來水。由于獨(dú)山縣地處云貴高原 ， 全境地處貴州高原向廣西丘陵過渡的箱狀背斜，形成較周邊地區(qū)高出 310～490米的突出平臺(tái)地，海拔500米，最高海拔為1465米 ，平均海拔850～1100米之間。給水泵房配備的315kw/10kv水泵6臺(tái)，由于日夜供水差異較大。這樣水泵頻繁啟停帶來的沖擊，會(huì)引起電機(jī)、水泵、閥門故障率增加，維修費(fèi)用加大，同時(shí)對電網(wǎng)和管網(wǎng)都有很大沖擊。

二、獨(dú)山縣自來水生產(chǎn)工藝流程介紹

根據(jù)供水范圍及使用居民人數(shù)，確定自來水廠日供水量能力。不同大小的自來水廠，其生產(chǎn)工藝流程基本相同，包括水源、取水、混合、反應(yīng)、沉淀、過濾、消毒、給水等過程。生產(chǎn)工藝流程見下圖：

圖1自來水廠水處理工藝流程

首先選取合適的水源，通過一級泵房（取水泵）將水送至廠內(nèi)水處理系統(tǒng)，經(jīng)過機(jī)械混合、混凝反應(yīng)處理，可以把水中不易沉淀的膠粒及微小懸浮物脫穩(wěn)、相互積聚，最終形成較大的絮粒，以便于從水中分離、沉淀下來。機(jī)械混合的目的是通過水力、機(jī)械的劇烈攪拌，使藥劑迅速均勻的溶于水中，提高混凝效率。經(jīng)混凝反應(yīng)處入沉淀池，凝聚起來的絮狀物依靠重力作用從水中分離出來，顆粒沉于池底。沉于池底的污泥不斷堆積并濃縮，定期排出池外。過濾是為了進(jìn)一步去除水中細(xì)小懸浮雜物，過濾后的水經(jīng)過加氯消毒系統(tǒng)處理，破壞細(xì)菌酶系統(tǒng)使細(xì)菌死亡。消毒后的水由清水池經(jīng)過給水泵房提升到一定的水壓，再通過輸、配水管網(wǎng)送給千家萬戶。

三、SBH系列高壓變頻器原理

SBH系列高壓變頻器采取的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式為單元串聯(lián)型高壓變頻器，其為直接高-高變換電壓源型，變頻器基本原理如下圖2所示：

圖2變頻器原理示意圖

高壓變頻器從10kV電網(wǎng)取電，經(jīng)過內(nèi)部移相變壓器降壓、移相、隔離輸送給各個(gè)功率單元，功率單元從原理上等效于一個(gè)三相交流輸入、單相交流輸出的低壓變頻器。電路結(jié)構(gòu)如下圖3所示：

圖3功率單元結(jié)構(gòu)

功率單元整流電路為二極管全波整流，多脈沖構(gòu)成多極移相疊加的整流方式極大地改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)大于0.95。輸出側(cè)由每個(gè)功率單元的U、V輸出端子相互串聯(lián)而成星型接法給電機(jī)供電，通過對IGBT逆變橋進(jìn)行正弦SVPWM控制，得到階梯的SVPWM波形，該波形正弦度好，dv/dt小，可以降低輸出諧波及由此引起的電機(jī)發(fā)熱、噪音等，從而減少對輸出電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無需輸出濾波器，可直接驅(qū)動(dòng)普通異步電機(jī)。同時(shí)，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。通過軟件控制，可以輸出不同等級的頻率電壓。SBH系列變頻器系統(tǒng)安全、可靠，保護(hù)裝置功能齊全，具有過壓、欠壓、過流、過熱、缺相等保護(hù)裝置。具有完整的故障監(jiān)測電路、精確的故障報(bào)警保護(hù)。

四、森蘭高壓變頻器的特點(diǎn)

1、一體化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)更簡潔、維護(hù)更方便、安全性能更高。

2、輸入限流功能，通過增加限流電阻能夠減小高壓變頻器上電時(shí)對上一級開關(guān)的沖擊電流，實(shí)現(xiàn)軟充電。

3、單元模塊化設(shè)計(jì)以及雙冗余機(jī)械式單元旁路技術(shù)，抗干擾能力更強(qiáng)，可靠性更高。每個(gè)功率單元的結(jié)構(gòu)與電氣性能一致，可互換使用。

4、具有單元旁路技術(shù)，當(dāng)某個(gè)單元出現(xiàn)故障時(shí)，可將故障單元旁路，實(shí)現(xiàn)旁路運(yùn)行，不停機(jī)，保證生產(chǎn)連續(xù)性。

5、AVR自動(dòng)穩(wěn)壓功能，當(dāng)輸入電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，AVR功能可以保持變頻器的輸出電壓不受影響。

6、雙電源冗余設(shè)計(jì)，分別由兩路電源供電，比傳統(tǒng)UPS方案更可靠。

7、“飛車"啟動(dòng)功能當(dāng)電機(jī)仍處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，通過轉(zhuǎn)速跟蹤技術(shù)，可直接帶電機(jī)啟動(dòng)，無沖擊電流。

8、SVPWM空間電壓矢量控制，直流母線電壓利用率高，可提高輸出電壓15%。

圖4：森蘭SBH系列高壓變頻器

五、調(diào)速方案

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，一共6臺(tái)315kw/10kv送水泵，平時(shí)只開其中2臺(tái)，另外4臺(tái)備用。在用水高峰期時(shí)為了維持管網(wǎng)壓力，滿足供水需求。2臺(tái)送水泵均工頻運(yùn)行，在用水低谷時(shí)只開1臺(tái)送水泵。針對獨(dú)山自來水廠遠(yuǎn)期十萬噸日供水計(jì)劃和用戶要求。采用希望森蘭第三代高壓變頻器對水廠送水泵進(jìn)行改造，電機(jī)額定參數(shù)為315kW/10kv，選配希望森蘭SBH-100-630規(guī)格的變頻器。一次系統(tǒng)方案如圖4所示：

圖5一次系統(tǒng)方案

送水泵變頻改造系統(tǒng)包括三部分：隔離柜、限流柜、高壓變頻器。其中隔離柜由兩個(gè)隔離開關(guān)組成，當(dāng)變頻器處于檢修和維護(hù)狀態(tài)時(shí)，通過手動(dòng)操作分?jǐn)郠S1,QS2開關(guān)，確保檢修過程的安全性。當(dāng)需要對電機(jī)進(jìn)行絕緣耐壓試驗(yàn)時(shí)，需要將QS2分?jǐn)?，試?yàn)完畢，再手動(dòng)將QS2合閘。

限流柜由高壓真空接觸器KM1與充電電阻R組成，限流電阻實(shí)現(xiàn)對變頻器電容軟充電，使上電過程中對電網(wǎng)無沖擊。

由于用戶在出水閥前加裝了多功能止回閥通過測試發(fā)現(xiàn)變頻器運(yùn)行在35hz及以下多功能止回閥未打開，水泵不出水，所以把頻率限制在35hz。

SBH系列變頻器自身具有PID調(diào)節(jié)功能模塊，通過簡單的參數(shù)設(shè)置，可針對不同供水量需求，實(shí)現(xiàn)恒壓供水，確保管網(wǎng)供水安全性需求。

圖6：恒壓供水系統(tǒng)工作原理框圖

通過變頻控制，可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力及供水量，降低供水能量消耗，具有較明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

五、總結(jié)

獨(dú)山自來水廠變頻器正式投產(chǎn)以來，連續(xù)運(yùn)行至今，為水廠正常供水提供了強(qiáng)有力的保障。SBH系列變頻器的應(yīng)用降低了系統(tǒng)對管路密封性能的破壞，延長了設(shè)備的使用壽命，同時(shí)維護(hù)量減少很多，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，節(jié)約了大量電能和水資源，切實(shí)響應(yīng)了國家節(jié)能降耗的號(hào)召。