由于全國各省市城鎮(zhèn)化建設(shè)的飛速發(fā)展，近年來出現(xiàn)嚴(yán)重缺電缺水現(xiàn)象。許多城市出現(xiàn)限電限水現(xiàn)象。國家出巨資進(jìn)行大規(guī)模的給水排水工程建設(shè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)，全國城市每天缺水2000萬m3，每天排放污水量約1億m3，我國每年新建擴(kuò)建的水廠近600萬m3/d，污水處理廠的處理能力將達(dá)到700萬m3/d左右。
在給排水工程的建設(shè)和管理運(yùn)行中，設(shè)備運(yùn)行管理費(fèi)用很高，其中水廠的電耗約占50％。大多數(shù)新建的FCS、DCS、PLC監(jiān)控系統(tǒng)也不能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，造成許多資源的消費(fèi)。有許多廠站存在先天性的缺陷，變電站位置不合理，配電電纜太多太長，變壓器等設(shè)備選擇不合理，特別是水泵機(jī)組選擇不合理，工藝流程總體布局不合理，使給水排水系統(tǒng)的電耗居高不下。給排水廠運(yùn)行管理，應(yīng)從工藝流程及其配套用電設(shè)備的變配電系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)、水泵機(jī)組系統(tǒng)的三方向進(jìn)行重點(diǎn)研究，要制定每噸水的綜合制造單位電耗和藥耗標(biāo)準(zhǔn)，即從每噸水的投資到運(yùn)行的最佳的代價(jià)做文章。在這里，單就水泵機(jī)組的最佳節(jié)能技術(shù)選擇進(jìn)行分析和研究。
實(shí)例分析
從上世紀(jì)七十年代開始，幾十座大中小型規(guī)模給水廠站的設(shè)計(jì)，就打破了常規(guī)設(shè)計(jì)的保守選泵法，采用串級(jí)調(diào)速或變頻調(diào)速技術(shù)，使供水系統(tǒng)的出廠水流量和揚(yáng)程，盡量適應(yīng)其配置的管網(wǎng)系統(tǒng)特性的變化，提高水泵的運(yùn)行效率，盡量使供水調(diào)度得到經(jīng)濟(jì)合理，維持管網(wǎng)未端壓力穩(wěn)定運(yùn)行。
北京市水源九廠開始設(shè)計(jì)時(shí)，打破了常規(guī)設(shè)計(jì)的做法，從工藝流程到變配電設(shè)備選型，不是按最高日最高時(shí)的流量和其對(duì)應(yīng)的壓力為工作點(diǎn)來選不同容量水泵和水泵組合；而是在滿足最大設(shè)計(jì)水量的基礎(chǔ)上，盡量使調(diào)速高效特性曲線接近系統(tǒng)的特性曲線，也就是說，盡量將各種調(diào)速泵組合的高效區(qū)能套入出現(xiàn)機(jī)率最高的工作段或點(diǎn)上。調(diào)速泵臺(tái)數(shù)，應(yīng)在全年內(nèi)運(yùn)行工況中開泵出現(xiàn)次數(shù)最多的臺(tái)數(shù)為需要的臺(tái)數(shù)，而備用泵選用定速泵。
先看取水泵站。取水泵站的各種臺(tái)數(shù)組合的高效中心線，均在系統(tǒng)特性曲線的左側(cè)。在設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)時(shí)，應(yīng)將高效中心線包入最大流量點(diǎn)的曲線段，曲線向右下方移動(dòng)，流量加大而揚(yáng)程降低，使其與4臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)特性曲線重合或靠近，水泵綜合運(yùn)轉(zhuǎn)效率就會(huì)更高。從系統(tǒng)分析看，水泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)4臺(tái)為最經(jīng)濟(jì)，考慮分期建設(shè)，第一期選用兩臺(tái)容量最大的水泵調(diào)速將更經(jīng)濟(jì)合理。
再看配水廠站配置。從電算可知，首期2臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)機(jī)率最高，其次為3臺(tái)，同時(shí)各種臺(tái)數(shù)組合的高效區(qū)均能包入高日高時(shí)流量的基礎(chǔ)上向右下方移動(dòng)，見上圖。加大額定流量降低額定揚(yáng)程，使配水泵綜合的高效中心線介于兩三臺(tái)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)系統(tǒng)特性曲線之間，二期后同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)需要4臺(tái)，再考慮日變時(shí)變率，運(yùn)轉(zhuǎn)泵均為調(diào)速泵比較合理。當(dāng)一臺(tái)調(diào)速泵有故障時(shí)，三調(diào)一定運(yùn)轉(zhuǎn)，其綜合效率降低一點(diǎn)，而工作揚(yáng)程還是較高。所以，備用泵選用定速泵比較經(jīng)濟(jì)合理。
供水系統(tǒng)可選的幾種變頻調(diào)速技術(shù)
從上世紀(jì)80年代開始，我國水工業(yè)真正步入了變頻調(diào)速時(shí)代。如北京水源九廠、深圳梅林水廠、深圳中西部源水系統(tǒng)各泵站、北方南水北調(diào)各大輸水泵站、上海原水公司和自來水公司、上海排水管理公司、廣州、福州、廈門、東莞、天津、重慶、石家莊、昆明、成都、潮州、大慶油田等自來水公司的上百個(gè)大中型水廠和泵站都選用了變頻調(diào)速裝置。水泵電機(jī)容量從315KW到2500KW，采用變頻調(diào)速裝置的臺(tái)數(shù)近1000臺(tái)以上。200KW以下容量選用變頻調(diào)速裝置就更多了。
由于電流型變頻器是全控橋整流，諧波非常豐富，對(duì)電網(wǎng)公害大，抑制諧波的措施比較復(fù)雜，在價(jià)格和可靠性上失去了優(yōu)勢(shì)，在水工業(yè)領(lǐng)域中已很少采用了。220KW及以上水泵機(jī)組可選擇的變頻調(diào)速裝置有以下六種：
• “中－低－中”變頻器
優(yōu)點(diǎn)是變頻器價(jià)格低，缺點(diǎn)是增加了占地面積和成本，增加了兩級(jí)變壓器損耗，可靠性大大降低了，在低速時(shí)，變壓器效率更低，功率因數(shù)也低。
•低壓大功率變頻器
國產(chǎn)低壓變頻器已做到1000KW，國外已做到2000KW。建議盡量選用1.7KV、2.3KV、3.3KV多相特殊電動(dòng)機(jī)。
•中－低壓大功率變頻器
其優(yōu)點(diǎn)是中壓輸電損耗小，低壓變頻效率高，輸入變壓器一側(cè)采用角（△）接法，可吸收變頻系統(tǒng)中的高次諧波。
•中－中壓變頻器
a）中壓IGBT PWM變頻器。額定功率因數(shù)≥0.96，系統(tǒng)器件由60支減為24支，電路簡化了，可靠性提高了。b）中壓IGCT PWM變頻器。額定效率＞98％，額定功率因數(shù)＞0.95。
•多重式多級(jí)串聯(lián)中壓變頻器
美國ROBICON公司、日本安川、富士、東芝公司等公司，都先后推出了多重式多級(jí)串聯(lián)中壓變頻調(diào)速裝置。采用多電平結(jié)構(gòu)和多級(jí)低壓小功率IGBT PWM變頻單元串聯(lián)輸出中壓變頻電，實(shí)現(xiàn)了大功率集成。額定效率≥96％，額定功率因數(shù)≥0.95。但必須指出，同一容量采用中壓設(shè)備不但價(jià)格貴得多，且可靠性也下降了。
關(guān)于水泵電機(jī)采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻調(diào)速控制方案的思考
矢量控制系統(tǒng)（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)（DTC），都是高性能的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，都是轉(zhuǎn)矩控制，都是基于異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)的。矢量控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：通過坐標(biāo)變換，按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，電機(jī)模型需要電機(jī)參數(shù)多，定向準(zhǔn)確度受參數(shù)變化影響大。
直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)（DTC），在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電機(jī)的定子磁鏈轉(zhuǎn)矩。DTC受轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)影響不大，而VC受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化影響大，DTC魯棒性比VC強(qiáng)。
DTC系統(tǒng)由電機(jī)的電壓和電流計(jì)算出定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用砰－砰控制來實(shí)現(xiàn)變頻器的PWM控制，其著眼點(diǎn)是電壓，而矢量控制的著眼點(diǎn)是電流，存在電流調(diào)節(jié)時(shí)間滯后，而DTC沒有電流控制環(huán)路，沒有任何電流反映，電機(jī)可以獲得較大的dv／dt，較大的加速電流，產(chǎn)生較快的電流響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，DTC轉(zhuǎn)矩響應(yīng)比VC快4～5倍。
DTC由于采用砰－砰控制，其開關(guān)頻率不穩(wěn)定，其電流的諧波比VC稍大些，變頻器效率略比VC低一些，就是說DTC控制變頻器的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要比VC差一些。無速度傳感器控制是DTC和VC控制系統(tǒng)共同的研究課題，并不是DTC的發(fā)明專利，它們都采用同樣的交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型。DTC的低速控制性能不好，用轉(zhuǎn)子磁鏈控制來補(bǔ)償DTC的低速性能，控制系統(tǒng)低速時(shí)用ISR，高速時(shí)過渡到DTC。在水泵機(jī)組、生化處理、加藥系統(tǒng)中選用DTC系統(tǒng)，還是VC系統(tǒng)，要注意選擇，否則有害無益。DTC和VC系統(tǒng)作為高性能的調(diào)速系統(tǒng)，在本質(zhì)上是相同的，都能實(shí)現(xiàn)較高的靜、動(dòng)態(tài)性能。DTC和VC系統(tǒng)，由于控制方法上的差異，各有特色，各有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，各有側(cè)重的應(yīng)用領(lǐng)域。矢量控制更適應(yīng)于寬范圍調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，直接轉(zhuǎn)矩控制更適應(yīng)于快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，魯棒性好的大滯后運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，兩種系統(tǒng)都存在一些不足，兩種系統(tǒng)的研究和開發(fā)工作都朝著克服其缺點(diǎn)方向發(fā)展。
