隨著(zhù)人口的增長(cháng)和經(jīng)濟的發(fā)展，吉林市自來(lái)水公司第三水廠(chǎng)在原有十萬(wàn)噸日供水能力的基礎上，擴建至二十萬(wàn)噸，以適應吉林市未來(lái)十年或更長(cháng)時(shí)間經(jīng)濟社會(huì )人口的發(fā)展水平。取水泵房原配備的355kW/10kV水泵4臺以及供水泵房配備的560kW/10kV水泵3臺，全部定速運行，由于日夜供水差異較大，需要調節閥門(mén)開(kāi)度或倒開(kāi)大小水泵。這樣水泵頻繁啟停帶來(lái)的沖擊，會(huì )引起電機、水泵、閥門(mén)故障率增加，維修費用加大，同時(shí)對管網(wǎng)也有很大沖擊。因此采用傳統調節閥門(mén)開(kāi)度控制流量和壓力的方式，必然會(huì )造成大量能源浪費。通過(guò)綜合調研，我公司決定對新擴建部分采用北京利德華福生產(chǎn)的大功率變頻器進(jìn)行自來(lái)水流量及出廠(chǎng)水的恒壓控制，從而實(shí)現降低能耗、節約成本、提高供水質(zhì)量，達到自動(dòng)化水廠(chǎng)的生產(chǎn)需求。

一、 自來(lái)水生產(chǎn)工藝流程介紹

    現將自來(lái)水廠(chǎng)水處理工藝流程簡(jiǎn)述如下：

圖1 自來(lái)水廠(chǎng)水處理工藝流程

　　首先要選好合適的水源和取水口，用管道輸送至一級泵房（取水泵房）并在一級泵房前加氯以殺滅藻類(lèi)、植物和貝類(lèi)動(dòng)物。再通過(guò)一級泵房將水送至廠(chǎng)內處理系統中。通常經(jīng)過(guò)混合（在水源水中加入適量的氯化鋁，俗稱(chēng)礬）反應、沉淀、過(guò)濾、消毒等處理工藝，每一工藝配以相應的構筑物（如沉淀池、濾池、清水池等），濾后消毒一般是加氯和氨，投加了消毒劑的水經(jīng)清水池、并在池內停留一小時(shí)左右就成為合格的飲用水，再經(jīng)過(guò)二級泵房（供水泵房）加壓輸送到城市管網(wǎng)中，供生活飲用和生產(chǎn)使用。

二、 高壓變頻器的應用方案

　　根據我公司在城市供水行業(yè)實(shí)際應用的成功經(jīng)驗，為確保供水系統的穩定性、安全性和經(jīng)濟性，供水泵560kW/10kV選用HARSVERT-A10/045帶手動(dòng)一拖二旁路的變頻器。它采用直接“高-高”形式，單元串聯(lián)多電平拓撲結構，每相由8個(gè)功率模塊串聯(lián)而成，經(jīng)過(guò)多級移相疊加的整流方式，消除了大部分由獨立功率模塊引起的諧波電流，大大改善網(wǎng)側的電流波形，實(shí)際測量后網(wǎng)側電流近似為正弦波，不用更換原來(lái)的電機和電纜，完全適合舊設備的改造。取水泵355kW/10kV選用HARSVERT-A10/030原設計采用一拖一運行方式，經(jīng)過(guò)半年多運行來(lái)看，取水開(kāi)一臺變頻機組就能滿(mǎn)足工況要求，另外考慮取水泵定期倒車(chē)只能開(kāi)工頻機組，所以我公司決定將原有一拖一運行方式改為一拖二運行方式，這樣兩臺變頻機組就可以交替運行，非常經(jīng)濟。

　　下面是一拖二手動(dòng)旁路的基本原理（見(jiàn)圖2），它是由六個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)QS1-QS6組成。其中QS1和QS4,QS2和QS5有電氣互鎖；QS2和QS3,QS5和QS6安裝機械互鎖裝置。

圖2 一拖二手動(dòng)旁路柜原理圖

　　如果兩路電源同時(shí)供電，M1工作在變頻狀態(tài)，M2工作在工頻狀態(tài)時(shí)，QS3和QS4、QS5分閘，QS1、QS2和QS6處于合閘狀態(tài)；M2工作在變頻狀態(tài)，M1工作在工頻狀態(tài)時(shí)，QS1和QS2、QS6分閘，QS3、QS4和QS5處于合閘狀態(tài)；如果檢修變頻器，QS3和QS6可以處于任一狀態(tài)，其它隔離開(kāi)關(guān)都分閘，兩臺負載可以同時(shí)工頻運行；當一路電源檢修時(shí)，可以通過(guò)分合隔離開(kāi)關(guān)使任一電機變頻運行。

三、 恒壓供水系統原理

　　由于吉林市自來(lái)水公司第三水廠(chǎng)是新擴建工程，用水負荷需要在實(shí)際運行時(shí)進(jìn)行精確調整和測量，因此我廠(chǎng)采用的是恒壓供水系統，其工作原理如圖3所示,測量元件為德國E+H公司的壓力傳感器，將它設在水泵機組出水口，Vi為恒定供水壓力設定值，供水壓力V作為輸出量，構成閉環(huán)控制系統。變頻器內部的PLC采集供水壓力值V與用戶(hù)給定值Vi進(jìn)行比較和運算，通過(guò)PID進(jìn)行調整，將結果轉換為頻率調節信號送至變頻器，直至達到供水壓力的給定值Vi。不管系統供水流量如何變化，供水壓力值V始終維持在給定壓力值Vi附近。

圖3 恒壓供水系統工作原理框圖

　　(1) 在PID控制中，比例增益P加大，會(huì )使系統的動(dòng)作靈敏，速度加快，P偏大，振蕩次數加多，調節時(shí)間加長(cháng)。當P太大
時(shí)，系統會(huì )趨于不穩定。若P太小，又會(huì )使系統的動(dòng)作緩慢；

　　(2) 積分I的作用主要是消除系統的靜態(tài)誤差。但過(guò)強的積分作用使供水系統超調加大， 甚至引起振蕩。所以在調節過(guò)程初期，應減弱積分作用，防止產(chǎn)生積分飽和現象；而到過(guò)程后期，應適當增強積分作用，以提高控制精度；

　　(3) 微分D的作用主要是改善供水系統的動(dòng)態(tài)性能。增大微分時(shí)間，有利于加快系統響應，使系統超調量減小，穩定性增加，但抑制外擾能力下降。所以微分時(shí)間常數應該在供水系統控制要求的前提下而隨機改變。即在調節過(guò)程初期，應加大微分的作用，以減小超調；在調節過(guò)程中、后期，應不斷減小微分時(shí)間，以增強系統的抗干擾能力，同時(shí)還可以縮短調節時(shí)間。

　　我廠(chǎng)變頻器在運行初期，供水系統采用恒壓閉環(huán)控制，運行中發(fā)現運行頻率曲線(xiàn)呈鋸齒波，上下波動(dòng)幅度較大，因此對PID系數進(jìn)行調整，將P由1改為0.01、I由4改為20。通過(guò)幾次逐步調整，現運行曲線(xiàn)較為平緩，波動(dòng)幅度相當小。變頻器根據偏差相應調節PID的參數，當運行參數遠離目標參數時(shí)，調節幅度加快，隨著(zhù)偏差的逐步接近，跟蹤的幅度逐漸減小，近似相等時(shí)，系統達到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，維持供水系統的恒壓穩定狀態(tài)。

四、變頻器的運行情況：

　　三水廠(chǎng)取水泵采用開(kāi)環(huán)運行方式，根據清水池水位手動(dòng)調節頻率，一般頻率運行在38Hz-45Hz之間。

　　三水廠(chǎng)供水泵采用閉環(huán)運行方式，運行參數如下：

運行時(shí)間	運行壓力	運行頻率Hz	輸入電流A	輸出電流A	輸入電壓V	輸出電壓 V
5：00-9：00	0.38 MPa	48.75	29.3	32.0	10.7	10
9：00-16：00	0.36 MPa	42.74	13.8	19.4	10.7	8.9
16：00- 22：00	0.38 MPa	49.46	32.2	34.0	10.7	10
22：00-5：00	0.28 MPa	35	5.8	14.5	10.7	7.5

　　通過(guò)測試發(fā)現變頻器運行在37Hz及以下機泵不出水，所以我們把最低頻率限制在38Hz。在日常運行中，早上4點(diǎn)加開(kāi)一臺工頻機組，當變頻器頻率達39Hz左右，關(guān)閉工頻機組，只運行一臺變頻器；在下午16點(diǎn)用水高峰時(shí)，再加開(kāi)工頻機組。這樣合理開(kāi)關(guān)車(chē)既滿(mǎn)足了出廠(chǎng)水壓力，同時(shí)又節約了大量能源。

五、系統應用效果：

　　水泵電機采用高壓變頻器進(jìn)行調速運行后，在有效的調速區段內運行十分平穩，與原來(lái)全部工頻電機運行相比，由于變頻器對電機實(shí)現了柔性啟動(dòng)，啟動(dòng)電流大大減小，對機組沒(méi)有任何沖擊，相應延長(cháng)了設備的使用壽命，大大減輕了維護工作
量，減少了維護成本。

　　變頻器有效的水壓閉環(huán)控制功能，使水壓調節平滑可靠，轉速無(wú)波動(dòng)。電機與多功能閥門(mén)聯(lián)動(dòng)，只要給定頻率，電機啟動(dòng)，多功能閥自動(dòng)開(kāi)啟，使得開(kāi)關(guān)機組變得簡(jiǎn)單。

　　變頻器投入運行后，由于電網(wǎng)側功率因數提高到0.96以上，在各種負荷下，電網(wǎng)側電流大大下降，電機的無(wú)功電流由變頻器直接補償。

　　節能方面，我廠(chǎng)進(jìn)行了測試：在同種工況下，采用單臺機組電度表分別計量的方式，單臺機組節電率達32%，這么高的節電率加上合理開(kāi)關(guān)機組，我廠(chǎng)每年將節電100萬(wàn)元。

　　三水廠(chǎng)取水、送水變頻器正式投產(chǎn)以來(lái)至今，連續運行近兩年，為水廠(chǎng)正常供水提供了強有利的保障。HARSVERT-A變頻器具有免維護的特點(diǎn)，只需每個(gè)月更換柜門(mén)上的濾網(wǎng)。變頻器的應用降低了系統對管路密封性能的破壞，延長(cháng)了設備的使用，同時(shí)維護量減小很多，提高了系統的自動(dòng)化程度，節約了大量電能和水資源，切實(shí)響應了國家節能降耗的號召。