变频调速器是近年来兴起的一项新技术,它以其技术先进、工作可靠、节能显著、控制灵活、操作方便、保护功能完善等优点,同时施工工期短、投资少在供水领域被广为采用。但是,变频调速作为一项新技术应用于铁路沿线供水站,其机理和使用特点,是否能充分发挥其特点和效能,很值得进一步研究和探索。

1   变频调速供水的作用原理

变频调速供水是通过保持管网恒定压力改变交流电频率从而改变水泵运行转速的原理,而根据相似定律,水泵的性能与转速的关系为

(1)

(2)

(3)

式中:Q1、Q2水泵调速前、后的出水流量

h1、h2水泵调速前、后的扬程

N1、N2水泵调速前、后的输出功率

n1、n2水泵调速前、后的转速

由上面相似定律可知,水泵的转速与水泵流量、压力、功耗都有着极为密切的关系,所以控制了水泵的转速就能控制水泵的工况。

对于每一个供水系统,管网特性曲线(Q-∑h曲线)是一定的,水泵的性能特性曲线(Q-H曲线)也是一定的,管网特性曲线和水泵性能曲线的交点就是供水系统的一个工作点。而水泵在这个交点的流量为Q1,其对应的扬程为h1,此时水泵理论能耗为Q1×h1,但是在一个供水系统中,无论是在工频还是变频工况点每时每刻都是变化的。在工频供水时,根据水泵性能曲线,当水泵的水量减少时(如减少到Q2),其扬程将增加(相应扬程增加到h2),水泵的理论能耗为Q2×h2,此时h2>h1,(h2-h1)×Q2即为相对于第一个工况点的能耗;在变频供水系统中,系统用水量减少,又要保持恒压供水,变频将降低水泵的转速,假设流量降至Q2,水泵的转速降至n2,工况点也降至后一种情况,此时能耗为Q2×h1,消除了工频工作的无效能耗,由此实现节能。

2   现有变频调速在供水系统中应用情况

目前我供电段有石家庄、邯郸等多处使用变频调速供水。

(1)石家庄客技站变频调速供水设备控制一台水泵,因该供水系统有水塔,在水塔低水位时泵,高水位时停泵,使水泵可经常处于高效工作区,再加上变频起停水泵,降低了起动电流,减少了水泵起动对电网的冲击和水锤对管网的冲击,延长了电力和给水设备的使用寿命,该泵扬水每用2万吨,扬水耗电8000kWh/月,扬水千吨米耗电指标为4.7kWh/月,扬水效率68%,起到了节能降耗、延长设备使用寿命的效果。

(2)邯郸大院变频加压供水系统,该系统无水塔,用一台变频器控制四台80DL50同型号水泵,扬水每用4万吨,扬水耗电9500kWh/月,千吨米耗电指标为5.9,扬水效率55%,平均每小时扬水六七十吨。程序设计为:常用的四台水泵大循环运行方法,即:起动时全部采用变频起动,水压不能满足要求时,变频切工频,起动下一台变频,循环往复,直到满足要求为止。停止时,在水压不能满足要求时,工频停止最早开始运行的水泵。该系统一般白天开两台泵,一台工频、一台变频运行,晚上开一台泵变频运行。虽然变频起动水泵降低了起动电流,减少了对电网的冲击和水锤对管网的冲击,延长了电力和给水设备的使用寿命,但是实际扬水效率仍较低,扬水千吨米耗电指标较高。

3   石家庄客站无塔变频加压供水系统的设计及应用

(1)设备现状

因石家庄铁路入地改造,需拆除石家庄客站既有的500T(吨)×32m水塔,改为永临结合的无塔变频供水系统,考虑到客站、机务、工务段将来要迁走,用水量将逐步减少,以现有用水量为最大用水量考虑。根据调查石家庄客站2009年3月10日至15日,每10min一次的水泵扬水量与水塔水位变化情况,计算得出10min一次用水量情况及占总数的百分比(见表1)。

(2)扬水设备选型

根据上述情况分析,每小时用水量在150～250T之间的占78%。再考虑今后水量下降,故本次设计采用大泵均为100T/h流量,再设一台小泵50T/h流量,配合大泵使用,尽可能使各水泵均在高效区运行,以达到节电目的。

(3)程序设计

采用一台变频器控制,起动时全部采用变频起动,水压不能满足要求时,变频切工频,起动小泵变频运行,每次起动时均先起动小泵运行,小泵不能满足水压要求时,变频停止小泵,变频再起动另一台大泵运行。水压再不能满足时,变频切工频再起动小泵,循环往复,直到满足要求为止。
因变频器无法实现工频直接切变频,只能采用工频停止,在水压不能满足要求时,工频停止最早开始运行的大泵。

(4)新程序与原程序的节电分析

上述程序运行,使用水量在200～250T时两个大泵工频运行和一个小泵变频运行,比两个大泵工频运行和一个大泵变频运行节电。以此类推,在100-150T、300-350T用水量时也同理。

(5)工程实施

因铁路入地工程要求工期紧,石家庄客站变频供水系统,2009年7月份开通时未来得及编新程序,采用了常用的大循环运行方法,千吨米耗电指标5.8,扬水13万吨/月,耗电30000kWh/月,与邯郸大院基本相同,后按上述程序设计思路修改了程序,千吨米耗电指标明显下降。

(6)新旧程序节电比较

新程序供水系统自2009年9月投入使用以来运行平稳,扬水13万吨/月,扬水耗电25000kWh/月,千吨米耗电指标5.0,扬水效率64%,不仅变频起动水泵降低了起动电流,减少了对电网的冲击和水锤对管网的冲击,延长了电力和给水设备的使用寿命,而且比通常采用同规格水泵大循环运行方法,提高扬水效率8%,每年节电(30000-25000)×12=60000(kWh)。

4   结束语

变频调速恒压供水系统具有施工工期短、占地面积小、施工方便等优点,变频起停水泵可减少对电网的冲击和水锤对管网的冲击,提高供水的自动化水平,减轻工人的劳动强度,提高供水压力质量。但是要根据不同的使用条件合理选配扬水设备,科学编制设备运行程序,使扬水设备尽量在高效区工作,以达到节能降耗的目的。（御风）