變頻調速技術在旋流井系統(tǒng)中的節(jié)能應用

賈英東

（凌源鋼鐵集團有限責任公司，遼寧 凌源 122500）

近幾年來，隨著科技的不斷進步，電氣技術取得了突飛猛進的發(fā)展，淘汰低性能、高能耗設備已迫在眉睫。因此，企業(yè)為了降低生產成本、提高服務質量，不斷加大設備自動化改造升級。由于變頻器的使用可以降低電能消耗和操作簡單，以及免維護、控制精度高等優(yōu)勢。因此，企業(yè)對旋流井進行了變頻節(jié)電改造，采用了先進的變頻控制技術，改變了原系統(tǒng)生產設備落后的面貌，達到了節(jié)能的目的。

1 變頻調速技術的應用優(yōu)勢

變頻器調速技術是一項具有綜合性與先進性的高科技技術，其中涉及了微電子、電力技術、自動控制以及通信技術等多項科技。隨著人們環(huán)境保護意識的提升，變頻調速技術以其優(yōu)秀的節(jié)能高效特性被廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域中。經過對工業(yè)控制生產實踐的研究與分析能夠發(fā)現(xiàn)，其工業(yè)生產過程中經常存在拖動設備負荷變化大，但是其動力源電機轉速卻不變的現(xiàn)象，這就說明，在工業(yè)控制中存在輸出功率變化不隨負荷的變化而變化的情況，這樣就會導致嚴重的資源浪費。而變頻調速技術就能夠有效解決以上問題，進而實現(xiàn)對風機、水泵以及壓縮機等工業(yè)控制設備的調節(jié)，實現(xiàn)對其控制系統(tǒng)的調節(jié)功能，同時還能夠有效節(jié)約電能資源。

在工業(yè)控制過程中使用變頻調速技術能夠實現(xiàn)對系統(tǒng)品質的調節(jié)，進而減少設備與電機之間的機械沖擊，減少磨損的情況，延長設備的使用壽命，同時還能夠降低人力的勞動強度，達到節(jié)約能源的效果。而變頻調速技術的應用特點具體表現(xiàn)在以下幾點：首先，在增加變頻調節(jié)設備的時候并不需要對原有的設備進行改動，具有很好的適應性。其次，變頻調節(jié)設備能夠實現(xiàn)無極調速功能，進而滿足傳動機械的要求，變頻器還具有軟啟、軟停的功能，這樣就能夠防止系統(tǒng)受到電流沖擊的不良影響，有效保護設備系統(tǒng)。最后，變頻器還能夠實現(xiàn)方便恒轉矩調速和恒功率調速功能，其調速的范圍更廣，同時還具有較好的平滑性與機械性能，能夠有效實現(xiàn)機械節(jié)能。

2 變頻調速技術在旋流井系統(tǒng)中的節(jié)能應用案例

2.1 項目簡介

某開發(fā)公司建立的新區(qū)循環(huán)水泵站承擔著新區(qū)各單位的生產供水需求，保障了新區(qū)人們的正常工作與生活。而水泵站的主供旋流井系統(tǒng)更是其實現(xiàn)功能的核心系統(tǒng)，其中的進行濁水供應的4臺水泵能夠直接影響新區(qū)某廠房的生產工藝。經過調查能夠知道，此供水系統(tǒng)本身是一個密閉型的循環(huán)系統(tǒng)，主要通過一供一回實現(xiàn)用戶的用水需求。今年，公司對生產用水的需求以及節(jié)能降耗情況進行了調查，決定對旋流井供水系統(tǒng)中的這4臺水泵進行變頻節(jié)電升級改造，在保障供水需求的同時實現(xiàn)節(jié)能降耗。已知其中的濁水循環(huán)系統(tǒng)結構包括了回水系統(tǒng)和供水系統(tǒng)，其中的主要設備包括供水池、回水池以及水泵等。而回水系統(tǒng)則主要包括了1#和3#泵，供水系統(tǒng)中則是剩下的5#和6#泵。節(jié)能改造之前的系統(tǒng)中只配備了簡單的水位和管網壓力監(jiān)測裝置，不能夠實現(xiàn)調節(jié)控制，一般情況下都是通過值班工作人員進行人為的水泵系統(tǒng)調節(jié)，這樣的調節(jié)方法非常麻煩，很難達到最優(yōu)的供水需求，除此之外還存在耗能較大的問題，系統(tǒng)直接啟動還會對設備的壽命產生影響。再加上系統(tǒng)的保護裝置功能比較單一，經常出現(xiàn)設備故障問題，導致系統(tǒng)的維修成本增加，不僅影響用戶的生產生活需求，同時還會影響供水公司的經濟效益。

2.2 應用過程

2.2.1 應用原理

整個控制系統(tǒng)的控制中心就在于變頻器，而系統(tǒng)的控制目標則分別為設定壓力和反饋壓力、設定液位和反饋液位。技術人員同時應該以PID為控制算法構成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，并依據計算機模糊控制理論結合PID控制原理，對變頻器、電機以及負載的運行曲線進行自動檢測，形成一個全自動閉環(huán)控制的智能系統(tǒng)。在這次變頻改造的過程中，技術人員一共使用了兩臺變頻器對循環(huán)泵站中的兩臺回水泵（1#，3#）開展了液位閉環(huán)控制變頻改造，同時對循環(huán)泵站中的兩臺供水泵（5#，6#）開展了恒壓閉環(huán)變頻控制技術改造，這樣改造之后，整個控制系統(tǒng)就能夠實現(xiàn)可靠的運行，同時還能夠達到節(jié)能的目的。

2.2.2 工藝要求

在供水控制系統(tǒng)中，其中的5#和6#水泵能夠通過側管道供水壓力實現(xiàn)自動控制調節(jié)，同時也保留了手動轉換的功能，在特殊的時期能夠實現(xiàn)手動調節(jié)控制，根據設定的要求實現(xiàn)某特定壓力下的供水。而1#和3#回水泵則是通過回水池的水位進行控制調節(jié)，其中的回水池水位信號將起到主導的作用，供水池水位信號則作為副控信號，回水池能夠在設定水位下恒水位運轉，實現(xiàn)回水泵的變頻調節(jié)。而當供水池出現(xiàn)水位升高的情況時，就會強制回水泵低頻運行，當供水池水位降低時則強制回水泵保持高頻運行。而當回水池和供水池水位都低于設定水位的時候，系統(tǒng)就會給出補水的信號，當供水池的水位達到最高設定水位線的時候，系統(tǒng)也會控制補水泵自動停止補水，同時解決補水泵的警告。

2.2.3 應用方案

（1）供水系統(tǒng)。供水系統(tǒng)中包含了壓力變送器、電動機、變頻器等設備，共同形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。在運行控制的過程中會將壓力傳感器的檢測數(shù)值與設定值進行比較，如果數(shù)值之間存在偏差，則系統(tǒng)能夠將偏差信號進行PID運算，之后再變?yōu)檎{節(jié)變頻器的頻率輸出，使得管網實際壓力接近設定的目標壓力，并使用數(shù)顯控制儀對檢測壓力的波動數(shù)值情況進行展示。必要時技術人員還需要將設定值直接進行設定，同時輸入變頻器，系統(tǒng)就能夠自動更新設置的參數(shù)值，并按照設定值的要求實現(xiàn)自動調節(jié)控制。

（2）回水系統(tǒng)。回水系統(tǒng)中包含了超聲波液位儀、電動機、變頻器等設備，共同形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。技術人員在改造的時候應該將超聲波液位儀進行安裝，使其能夠檢測到供水池與回水池的液位，并將其液位信息與設定值進行比較，則系統(tǒng)能夠將其中的偏差信號進行PID運算，之后在變?yōu)檎{節(jié)變頻器的頻率輸出，使得水池的實際水位能夠接近設定值，人們能夠通過數(shù)顯控制儀觀察水位的波動情況。必要時技術人員還需要將設定值直接進行設定，同時輸入變頻器，系統(tǒng)就能夠自動更新設置的參數(shù)值，并按照設定值的要求實現(xiàn)自動調節(jié)控制。

2.3 系統(tǒng)特點

2.3.1 技術特點

該控制系統(tǒng)中使用的是矢量控制方式的變頻技術，主要調節(jié)的是電機的轉速，這樣就能夠實現(xiàn)對水泵流量的控制，實現(xiàn)節(jié)能的目標。除此之外，在水池水位與管網壓力的實時監(jiān)測工作中還使用了遠傳壓力表以及超聲波液位儀等電氣自動控制部件，進而實現(xiàn)恒水位與恒水壓的自動調節(jié)控制。技術人員在改造的過程中充分使用工業(yè)軟件將變頻調整、動態(tài)跟蹤以及網絡監(jiān)控等多個模塊進行整合，構建了機電一體化智能控制系統(tǒng)。改造后的控制系統(tǒng)具有操作便捷的優(yōu)勢，工作人員能夠實時掌握用戶的用水需求，同時還能夠實現(xiàn)系統(tǒng)的故障自檢以及信息提示功能，這樣一來，維修人員就能夠明確系統(tǒng)故障的原因與部位，提高維修的效率。

2.3.2 操作特點

經過改造之后的控制系統(tǒng)設置了手動與自動切換電路的不同控制模式，如果工作人員發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)或者變頻器出現(xiàn)了故障，工作人員就可以切換到手動控制的模式，讓水泵能夠直接運行工作，滿足當前人們的用水需求。而在常規(guī)情況下，控制系統(tǒng)應當能夠實現(xiàn)自動調節(jié)輸出的功能，系統(tǒng)將供水泵與回水泵變?yōu)樽冾l器驅動的工作模式，同時采取一用一備的模式，工作人員能夠通過轉換開關進行自由選擇。其中，系統(tǒng)的供水壓力以及回水池的水位能夠通過控制面板顯示與設定，供水系統(tǒng)能夠自動進行水泵轉速的調節(jié)，進而保障供水管網壓力的恒定。

2.4 應用前后消耗比較

技術人員為了驗證變頻調速技術的節(jié)能改造效果，在控制系統(tǒng)改造前、后分別對供水和回水系統(tǒng)進行了72h不間斷電量測試，期間每24h記錄一次電量，其過程數(shù)據如表1所示。

表1 前后消耗比較數(shù)據分析

通過對表1數(shù)據的處理與分析能夠知道，如果此控制系統(tǒng)每年的運行時間為330d，而電力上網價為0.627元/kWh，則能夠得到改造前系統(tǒng)在72h內累計耗電量為5741.1kWh，而平均每24h的耗電量為5741.1÷3=1913.7kWh，其年用電費用為1913.7x330x0.627=395963.67元。同樣的計算方法能夠得到經過改造之后所需的年用電費用為333636.17元。經過計算結果的比較能夠考出，經過改造之后的控制系統(tǒng)每年能夠節(jié)約電費約62327.5元，而此次供水系統(tǒng)的節(jié)能改造費用總計115780.0元，也就是說，該系統(tǒng)投入使用兩年就能夠收回改造投資的成本。除此之外，改造之后的系統(tǒng)還能夠實現(xiàn)自動供水調節(jié)，變頻技術更加能夠降低電能的消耗，達到節(jié)能的目的。

3 變頻技術節(jié)能應用問題與解決策略

3.1 諧波影響問題

通常情況下，變頻器中含有大量的電子元件與控制電路，因此在實際應用的過程中非常容易出現(xiàn)電磁波，大量的電磁波將會對電機以及電機運行的功率控制功能產生一定的影響，進而導致系統(tǒng)出現(xiàn)控制失效以及故障的情況。除此之外，變頻器內部的逆變器與整流器也會在開關的瞬間出現(xiàn)高次諧波，進而對控制系統(tǒng)的功能產生影響。而變頻器的輸入具有非線性整流電路的特點，在運行工作的過程中也會對電網產生較大的干擾。尤其是對一些大型的機電控制設備來說，由于其本身接入的就是高壓電網，而變頻器在高壓電網的影響下會出現(xiàn)更大的電網干擾與諧波影響。在這樣的影響下，機電設備會出現(xiàn)UPS電源輸出升高的情況，這樣一來，技術控制人員就需要從外界額外接入散熱裝置對機電設備進行散熱，如果沒有進行散熱的話，機電設備就將長時間處于高負荷的運行狀態(tài)中，進而導致設備出現(xiàn)故障與損毀的問題。面對以上變頻器諧波影響問題，技術人員常用的解決方法有兩種，第一種就是在機電設備上安裝濾波器等電力設備，這樣就能夠抵抗諧波的影響和干擾。而第二種則是對變頻器的線路進行整改，將其與其他設備線路進行連接，這樣就能夠避免諧波的產生與影響。

3.2 功率構件耐高壓問題

變頻調節(jié)技術在實際應用的過程中還存在功率構件耐高壓的問題，就目前的情況來看，我國工業(yè)生產中常見的電動機電源電壓規(guī)格為6kV，但是大多數(shù)變壓器內功率構件都存在高壓耐受問題，而變頻器的抗壓能力是比較差的，因此在實際的改造運行過程中就很難實現(xiàn)與電動機的有效結合，最終導致設備出現(xiàn)不穩(wěn)定的運行狀況。除此之外，變壓器的投入成本較大，從成本效益管理的角度來說并不利于企業(yè)的發(fā)展。因此，變頻器抗壓水平的提升已經成為了科學技術人員研究的重點。

3.3 變頻器接地的注意事項

變頻調節(jié)技術在實際的應用過程中還存在接地的問題，當技術人員在進行變頻器接地操作的時候，首先應該保障接地導線已經深入低下范圍。其次，技術人員還應該確保機電設備的電源線橫斷面與接地線路的部分相同，如果存在多臺變頻器共同運行的情況，技術人員更加應該關注變頻器的接地保護工作，使其能夠滿足主電路系統(tǒng)的相關保護要求，同時還應該滿足系統(tǒng)回路的相關要求。綜上所述，變頻調節(jié)技術在旋流井系統(tǒng)中的應用能夠實現(xiàn)供水系統(tǒng)的節(jié)能管理效果，通過自動控制調節(jié)的方法降低電能的消耗，在保障用戶正常用水需求的基礎上提高了系統(tǒng)設備的自動化與智能化水平，同時還能夠減少系統(tǒng)維修的費用，實現(xiàn)供水系統(tǒng)的經濟運行。