變頻微控調(diào)速裝置在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

戴劍飛

（勝利油田技術(shù)檢測中心能源監(jiān)測站，山東 東營 257000）

一、概述

近年來，低壓變頻調(diào)速器在油田生產(chǎn)、生活等許多領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用。

恒壓變量供水是典型的負(fù)載經(jīng)常變動的場合，在一天的不同時段，會出現(xiàn)用水的高峰段和低谷段。為了保證供水質(zhì)量，即保證在不同的供水時段都能提供一定的供水揚程，就必須保證供水系統(tǒng)的出口壓力恒定，并且有效避免在用水低谷時設(shè)備空轉(zhuǎn)或打回流時所造成的能源浪費和設(shè)備磨損。在這種負(fù)載（用水量）經(jīng)常變動的場合，變頻微控調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用顯示出良好的適應(yīng)性和明顯的節(jié)能效果。

二、節(jié)電原理

根據(jù)交流異步電動機工作原理中的轉(zhuǎn)速基本關(guān)系

式中：n──電機轉(zhuǎn)速，r/min；

n0──磁場轉(zhuǎn)速即同步轉(zhuǎn)速，r/min；

p──電機磁極對數(shù)；

f1──電機定子電源頻率，Hz；

s──轉(zhuǎn)差率；

Δn──轉(zhuǎn)速降，r/min。

通過變頻裝置改變電機定子電源頻率f1，可改變電機同步轉(zhuǎn)速n1，從而使電機n2轉(zhuǎn)速變化，這種調(diào)速方式即為變頻調(diào)速。

同時，根據(jù)水泵（離心泵）相似定律，如果改變水泵的轉(zhuǎn)速n，則水泵的排量Q和揚程H以及P功率都會發(fā)生相應(yīng)的改變，其關(guān)系式為：

由以上關(guān)系式可以看出：當(dāng)用水量低于水泵的額定排量時，降低泵的轉(zhuǎn)速，軸功率呈三次方關(guān)系下降。因此，采用變頻調(diào)速來調(diào)節(jié)泵的排量，可以有效降低水泵的功率消耗，節(jié)能效果非常顯著。

但水泵的轉(zhuǎn)速降低時，其揚程也會相應(yīng)降低，影響供水質(zhì)量。所以，應(yīng)采取措施使水泵工作在既能滿足當(dāng)前用水量又能保持設(shè)定揚程的最佳工作點上，即采取恒壓變量供水方式。由于用水量是隨時變化的，所以只有采用微機自動控制系統(tǒng)，才能達(dá)到這個目的。

恒壓變量自動控制供水系統(tǒng)的給水原理見圖1。

圖1中給出的HAA為恒速泵的H─Q曲線，A為泵的工作點，在這一點上水泵達(dá)到最大排量。H1A為設(shè)定的恒壓線，HBB、HCC……為水泵變頻調(diào)速后，在n1、n2……等各種轉(zhuǎn)速下相應(yīng)的H─Q曲線。

當(dāng)流量由QA變小到QB時，恒速泵揚程必定會上升至B1處。而在恒壓變量系統(tǒng)中，計算機通過壓力傳感器檢測出壓力上升的信號，并將當(dāng)前壓力值與設(shè)定值進(jìn)行比較計算，根據(jù)計算結(jié)果向變頻調(diào)速器發(fā)出調(diào)速指令，使水泵減速至n1，從而使壓力穩(wěn)定在H1處。這樣，在恒壓變量工作方式下就比恒速泵節(jié)能BB1段。

同理，如果水泵流量繼續(xù)降低到QC、QD……，通過上述控制過程，就可以使水泵的轉(zhuǎn)速為n2、n3……，而壓力依然保持在H1值，則節(jié)能值分別為CC1、DD1……可以看出，通過變頻微控裝置控制的恒壓變量供水系統(tǒng)比恒速泵供水所節(jié)省的能耗為圖1中的H1AHA,而系統(tǒng)的供水壓力始終保持不變。

三、變頻微控調(diào)速系統(tǒng)的組成及作用

變頻微控調(diào)速系統(tǒng)主要由主控制器、變頻調(diào)速器和變量控制器等所組成。

主控制器是整個控制系統(tǒng)的心臟，它自動地全面管理協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)。主控制器根據(jù)現(xiàn)場需要決定電機是否開啟，開啟幾臺電機、哪一臺變頻運行、哪一臺工頻運行，并根據(jù)需要自動切換工頻和變頻運行狀態(tài)。

變頻調(diào)速器是系統(tǒng)的主要執(zhí)行機構(gòu)，它是在主控制器和變量控制器的指揮協(xié)調(diào)下工作的。它具有調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速、使電機以各種斜率平穩(wěn)啟動或停止、電機的電氣保護(hù)等多種功能。根據(jù)主控制器的指令使相應(yīng)的電機無沖擊啟動和停止、變速運行，使系統(tǒng)的運行參數(shù)穩(wěn)定在設(shè)定值上。

變量控制器根據(jù)傳感器輸入?yún)?shù)和主控制器的控制指令，可以對變頻器進(jìn)行各種調(diào)節(jié)，以使系統(tǒng)運行平穩(wěn)、參數(shù)穩(wěn)定。同時將系統(tǒng)設(shè)定值和當(dāng)前值顯示出來。

變頻微控調(diào)節(jié)系統(tǒng)見圖2。

在水泵運行中干線（管網(wǎng)）壓力變化時，由壓力變送器和調(diào)節(jié)器將信號反饋至變頻器，使泵作相應(yīng)調(diào)速（增或減），保持干線（管網(wǎng)）壓力穩(wěn)定，實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)節(jié)。

四、節(jié)能效果測試

為了搞清變頻微控調(diào)速裝置在恒壓變量供水方式下的節(jié)能效果，為進(jìn)一步擴大推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)行了變頻微控調(diào)速裝置在恒壓變量供水方式下的現(xiàn)場節(jié)能效果測試。

被試泵是河口河旭小區(qū)供水泵房的3#外輸泵，泵型號為80DL×3型，配套電機功率為15kW，Y160L—4型。選用BWK系列變頻微控裝置，測試方法是在保持一定的供水揚程即保持泵出口壓力一定的前提下，分別測出系統(tǒng)在工頻和變頻狀態(tài)下的電機的輸入功率，計算出變頻調(diào)速裝置在恒壓變量供水方式下的節(jié)電率。測試結(jié)果見表1。

表1 水泵變頻節(jié)電效果對比測試數(shù)據(jù)表

從測試結(jié)果可以看出：變頻狀態(tài)下的有功節(jié)電率為39.5%，綜合節(jié)電率為41.2%。表明在恒壓供水系統(tǒng)中應(yīng)用變頻微控調(diào)速裝置，既保證了變工況下的供水質(zhì)量，同時節(jié)電效果比較顯著。變頻微控調(diào)速裝置在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用，顯示出良好的適應(yīng)性和明顯的節(jié)能效果。

五、應(yīng)注意的問題

1.從節(jié)能的角度看，一般變頻調(diào)速的最佳流量變化適用范圍為50%～90%，而油田供水系統(tǒng)當(dāng)中流量變化范圍有其特殊性，要求0～100%全范圍調(diào)速，因此清水泵的拖動電機應(yīng)配備專用調(diào)速電機，以解決水泵效率下降和電機的散熱問題。

2.變頻調(diào)速器的接地問題如果處理不好，會減弱抗干擾能力，甚至?xí)斐勺冾l器故障。因此，應(yīng)使變頻調(diào)速器單獨接地，不與電機、配電柜接在一點，提高其抗干擾能力。

3.電磁干擾對自控信號的影響問題。變頻調(diào)速器的輸出配線至電機之間，存在著較大的高次諧波干擾電流，為了避免或減弱其對自控信號的影響，應(yīng)采取以下對策：（1） 信號電纜采用屏蔽電纜，屏蔽層在傳感器附近同傳感器外殼接地；（2） 信號電纜和動力電纜不在同一個電纜溝敷設(shè)。（3） 24V電源外殼接地不同于變頻器接地，應(yīng)采用隔離電源，避免直接傳導(dǎo)干擾。（4） 變頻控制柜內(nèi)布線時，信號電纜應(yīng)遠(yuǎn)離動力電纜，至少保持10～15cm以上。

4.在多電機組成的運行系統(tǒng)中，為每臺電機配置一臺變頻器是不經(jīng)濟的，所以應(yīng)采取一對多的方案，即變頻器的群控，根據(jù)主控制器的指令使相應(yīng)的電機無沖擊地啟動和停止以及變速運行。

5.在進(jìn)行變頻測試時，為避免高次諧波對測試儀器的干擾，應(yīng)從變頻器輸入端進(jìn)行測試，并且儀器要使用外接電源供電。

六、結(jié)束語

恒壓變量供水系統(tǒng)中水泵的變工況運行，是油田生產(chǎn)、生活供水系統(tǒng)的客觀要求。變頻微控調(diào)速裝置的應(yīng)用，不僅可以取得顯著的節(jié)電效果，而且保證了穩(wěn)定的供水質(zhì)量。

[1]戴超仁.油田電網(wǎng)優(yōu)化與節(jié)能技術(shù) [M].石油工業(yè)出版社，1995.

[2]趙海培.變頻調(diào)速技術(shù)現(xiàn)場使用注意事項 [J].油田節(jié)能，1997（4）.