應用案例 | 變頻器在自來水廠中的應用

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，介紹了希望森蘭SBH系列高壓變頻器在獨山自來水廠的應用，為自來水行業(yè)變頻應用提供一種新的解決方案。

關鍵字：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)濟的發(fā)展，獨山縣十二五規(guī)劃期間第一大民生工程獨山自來水廠在原有基礎上新建了近期五萬噸日供水工程，遠期規(guī)劃擴建十萬噸日供水。為獨山縣的廣大市民提供充足的自來水。由于獨山縣地處云貴高原 ， 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，由于日夜供水差異較大。這樣水泵頻繁啟停帶來的沖擊，會引起電機、水泵、閥門故障率增加，維修費用加大，同時對電網(wǎng)和管網(wǎng)都有很大沖擊。

二、獨山縣自來水生產工藝流程介紹

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，其生產工藝流程基本相同，包括水源、取水、混合、反應、沉淀、過濾、消毒、給水等過程。生產工藝流程見下圖：

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）將水送至廠內水處理系統(tǒng)，經(jīng)過機械混合、混凝反應處理，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。機械混合的目的是通過水力、機械的劇烈攪拌，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。過濾是為了進一步去除水中細小懸浮雜物，過濾后的水經(jīng)過加氯消毒系統(tǒng)處理，破壞細菌酶系統(tǒng)使細菌死亡。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撲結構方式為單元串聯(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)過內部移相變壓器降壓、移相、隔離輸送給各個功率單元，功率單元從原理上等效于一個三相交流輸入、單相交流輸出的低壓變頻器。電路結構如下圖3所示：

圖3功率單元結構

功率單元整流電路為二極管全波整流，多脈沖構成多極移相疊加的整流方式極大地改善網(wǎng)側的電流波形，使其負載下的網(wǎng)側功率因數(shù)大于0.95。輸出側由每個功率單元的U、V輸出端子相互串聯(lián)而成星型接法給電機供電，通過對IGBT逆變橋進行正弦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發(fā)熱、噪音等，從而減少對輸出電纜和電機的絕緣損壞，無需輸出濾波器，可直接驅動普通異步電機。同時，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應力。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，保護裝置功能齊全，具有過壓、欠壓、過流、過熱、缺相等保護裝置。具有完整的故障監(jiān)測電路、精確的故障報警保護。

四、森蘭高壓變頻器的特點

1、一體化設計，系統(tǒng)更簡潔、維護更方便、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對上一級開關的沖擊電流，實現(xiàn)軟充電。

3、單元模塊化設計以及雙冗余機械式單元旁路技術，抗干擾能力更強，可靠性更高。每個功率單元的結構與電氣性能一致，可互換使用。

4、具有單元旁路技術，當某個單元出現(xiàn)故障時，可將故障單元旁路，實現(xiàn)旁路運行，不停機，保證生產連續(xù)性。

5、AVR自動穩(wěn)壓功能，當輸入電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時，AVR功能可以保持變頻器的輸出電壓不受影響。

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

7、“飛車"啟動功能當電機仍處于旋轉狀態(tài)時，通過轉速跟蹤技術，可直接帶電機啟動，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、調速方案

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，一共6臺315kw/10kv送水泵，平時只開其中2臺，另外4臺備用。在用水高峰期時為了維持管網(wǎng)壓力，滿足供水需求。2臺送水泵均工頻運行，在用水低谷時只開1臺送水泵。針對獨山自來水廠遠期十萬噸日供水計劃和用戶要求。采用希望森蘭第三代高壓變頻器對水廠送水泵進行改造，電機額定參數(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。其中隔離柜由兩個隔離開關組成，當變頻器處于檢修和維護狀態(tài)時，通過手動操作分斷QS1,QS2開關，確保檢修過程的安全性。當需要對電機進行絕緣耐壓試驗時，需要將QS2分斷，試驗完畢，再手動將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調節(jié)功能模塊，通過簡單的參數(shù)設置，可針對不同供水量需求，實現(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，可以實時調節(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)濟效益。

五、總結

獨山自來水廠變頻器正式投產以來，連續(xù)運行至今，為水廠正常供水提供了強有力的保障。SBH系列變頻器的應用降低了系統(tǒng)對管路密封性能的破壞，延長了設備的使用壽命，同時維護量減少很多，提高了系統(tǒng)的自動化程度，節(jié)約了大量電能和水資源，切實響應了國家節(jié)能降耗的號召。