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变频调速在排污泵站的应用

时间:2018-03-14分类:工程技术

  污水管网中水量不均及杂质较多,导致水泵实际运行状况与理想运转特性有出入。为解决上述问题,实现泵站无人值守自动控制要求,同时达到提高效率、节能降耗、减少维修量、降低人工及劳动强度等目的,文章就变频调速技术的原理、性能以及在排污泵站(济南市八里桥泵站)中的实际应用进行研究。

黑龙江水利科技

  《黑龙江水利科技》杂志为交流水利勘测、规划设计、科研、水文、水资源、城市(镇)供排水、工程管理网络信息等新技术、新信息、新经验的重要园地,为宣传、培养水利、市政给排水、工民建等优秀科技。

  1 变频器及其调速原理

  变频器是对交流电机实现变频调速的装置,生产中较多采用交直交变频器,这类变频器是先把电网的工频交流电通过整流器变成直流电,经过中间滤波环节后,再把直流电逆变成频率及电压均可调控的交流电。

  在对异步电动机进行调速时,总希望保持气隙磁通Φm为额定值不变,因为若磁通太小,电机铁心未被充分利用;若磁通太大,可能使磁路饱和,造成激励电流过大,铁损急剧增加,严重时损坏电机。根据三相异步电动机基本原理可知,气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值为:E=4.44fNΦm,只要控制 E、f就可控制磁通Φm。

  异步电动机调速控制特性说明:电机是按50Hz设计制造的,其额定转矩也是在这个电压范围内给出,因此额定频率以下的调速为恒转矩调速(T=Te,P≤Pe)。变频器输出频率大于50Hz时,电机产生的转矩要以与频率成反比的线性关系下降,此时电机负载的大小必须要给予充分考虑,以防止电机输出转矩不足。因此在额定频率以上的调速为恒功率调速。(P=Ue×Ie)

  2 目前排污泵站中水泵使用存在的问题

  (1)在排污泵站中安装了格栅除污机、集水池、水泵、出口蝶阀等设备设施,日常生产中需根据污水处理厂计划处理的排污量及实际负载可排量,利用水泵来调节即时排污量。在未设置变频控制系统的泵站中,传统方法采用出口阀门进行调节。阀门虽是电动操作,但频繁操作易发生故障,当阀门突然关闭,水流对阀门及管壁会产生压力,由于管壁光滑,后续水流在惯性的作用下,迅速达到最大,并产生破坏作用,这就是水锤效应,它不仅产生噪声,更严重的是导致物理性破坏,在压强过低时会引起管子瘪塌,在压强过高的瞬间可能造成管子破裂,另外,水锤效应还可能损坏水泵叶轮及紧固法兰等,不利于设备稳定运行。

  (2)一般来说,水泵配备的电动机总装机容量大,而水泵在实际工作中由于不可预测的因素影响,偏离最优工况区,造成效率下降,加之其他传动损失、机械损失等,不可避免地出现“大马拉小车”现象,使水泵经常低效率运行。

  3 水泵的变频调速控制

  (1)利用变频装置对水泵进行转速控制,以水泵的Q(流量)-H(扬程)特性曲线来说明,如图1所示:

  图1中,线1表示转速n0时的Q-H特性;线2表示管网水阻特性(蝶阀全开);线3表示管网水阻特性(调蝶阀开度);线4表示n1转速时的Q-H特性。

  当水泵工况点为M时转速为n0,假定此时Q0为90%,此时轴功率与图1中MHMOQ0的面积成正比;当流量Q0根据液位需下降到45%时,采用蝶阀减少流量(保持转速不变)则工况点为N,此时轴功率与图1中NHNOQ1的面积成正比,此时流量减少,但扬程增高,从两个面积来看相差不大,即流量减少一半,轴功率并未减少太多。如果调节转速使流量降到Q1满足扬程HP,此时工况点为P,对应轴功率面积为PHPOQ1,从图1中可以看出M的功率面积是 P的4倍,也就是说流量Q0降到Q1,如用调节蝶阀的方法,轴功率减少不多,如用变频调速的方法,轴功率减少了3/4。

  根据水泵有效总功率可得:N=ρgQH=QH/102kW

  水泵的转矩与转速平方成正比,其流量Q、扬程H及轴功率N与转速n遵循比例定律:流量与转速成正比关系;扬程与转速的二次方成正比关系;轴功率与转速的三次方成正比关系。

  分析看出,用调速调节流量节电效果最明显。计算表明n降到90%,Q降到90%,N降到73%;n降到45%,Q降到45%,N降到9%。

  (2)变频调速排水系统。

  图2是排水系统图,考虑到泵站的生产工艺及水泵特性,系统中采用的变频调速技术宜在开环方式下控制。

  4 以济南市八里桥泵站为例研究节能效果

  图2为较完善的排水系统图,实际中根据生产工艺、周围环境及控制水平等略有差异,下面以济南市八里桥泵站为例说明:泵站配置110kW立式污水泵 4台,均采用自耦降压启动,由于日均排污量大,特别在汛期,需来回调节阀门以控制流量,像110kW大功率设备在启闭时,电力上对电网、设备上对阀门的冲击较大,易导致设备设施损坏,自2011年6月更换1台110kW立式污水泵及配套变频控制柜,产品型号为WLA2200-11-110。

  在相同外部情况下采集数据做阶段性节能分析,主要分析泵在普通运行和在变频控制下的耗电情况,如表1和表2所示。

  分析结果:在使用普通泵与变频控制泵各连续16日之后,计算两者差额为5334kWh,按每度电0.8元计算,16天内节电4267.2元,一个月可节电8534.4元,一年可节电102412.8元,经济效益相当可观。

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