变频技术在发电厂中水回用中的应用

杨 泰

(山西大唐国际临汾热电有限责任公司，山西 临汾 041000)

0 引言

我国水资源分布不均，人均水资源极度匮乏，是世界13 个贫水国家之一［1］。临汾市水资源总量18.9 亿立方米，水资源人均占有量380 立方米，属于水资源十分贫乏的地区，缺水问题已经成为制约经济发展的瓶颈。我国电力装机结构以火力发电为主，火力发电的工业用水量占全国工业用水总量的40%左右。尽管火力发电厂用水量巨大，但几乎占全厂用水量97%以上的循环冷却水对水质的要求并不高［2］。中水经过处理后一般能满足火力发电厂的生产用水需求［2］。

山西大唐国际临汾热电有限责任公司安装有两台国产300 MW 亚临界参数燃煤供热机组。公司项目设计之初就将回用中水作为主要生产用水水源，在2012 年7 月与临汾市第二污水处理厂就中水回用项目成功签约。经临汾市第二污水厂处理后的城市中水，作为我公司的锅炉补给水、热网补充水及闭式辅机冷却水补充水源。中水回用可降低对水环境的污染负荷，实现污水资源化利用，同时也可以降低火力发电企业的用水成本。

1 中水回用变频改造前存在的问题

临汾市第二污水处理厂有三台中水回用水泵向我厂供水。电机型号为:Y2－250－2;额定电压:380 V;额定功率:55 kW;额定电流:103 A;额定转速:2 970 rpm;绝缘等级:B级;防护等级:IP54。水泵型号为IS125－80－250。三台中水回用水泵一用两备。原中水电机由开关柜控制采用智能控制器进行保护，电机在额定转速下运行。通过污水厂值班员人工阀门控制压力和流量。存在的主要问题:

1)人员操作量大，不能及时调节压力。我厂值班员需要根据用水量的变化电话通知污水处理厂值班员，污水厂值班员进行人工调节压力阀门开度。由于是24 h 不间断供水，每天需多次调节，操作量大。人工就地调节不能及时响应我厂用水量的变化，导致用水量增大时压力不足，用水量减少时压力过高。

2)设备故障率高。调节不及时容易导致管道超压，造成阀门管件损坏。水泵、叶轮长时间全出力运行，减少了使用寿命，导致轴承、叶轮提前磨损，过早损坏。由于设备可靠性低，故障率高造成维修任务繁重，设备零件投入高。

3)能耗损失大。电机工频运行，大量的能量浪费在截流调压过程中，电能大大浪费得不到充分利用。

2 变频技术应用于中水回用恒压供水

2.1 变频调速

根据电机学理论，交流电动机的转速公式为:

式中:n 为电动机的转速;f 为电动机的转速;p 为电动机的转速;s 为异步电动机的转差率。

由以上公式可知，改变交流电动机转速的方法有三种，即变频调速、变极调速和变转差率调速。其中，三种调速方式中，只有变频调速可以在不改变电机内部参数的前提下，通过改变定子供电电源频率来改变电机的转速［3］。同时变频调速具有总效率高、总功率因数高，调速范围内变化小，动态响应快，调速范围精确度高，分辨率高及通用性强的特点，成为现代交流调速的主流。

2.2 水泵变频调速的节能原理

水泵消耗的功率与转速的三次方成正比。即P=kn3，式中P 为水泵消耗的功率;n 为水泵运行时的转速;k 为比例系数。而水泵在设计时是按工频运行设计的，但供水时除高峰外，大部分时间流量较小。如果使用了变频调速，调节驱动电动定子绕组的电源频率，可以使水泵的转速随着流量进行变化，达到节能的目的。实践表明，使用变频设备可使水泵运行平均转速比工频运行时降低20%，从而大大降低能耗，节能率可达20%～40%。

2.3 变频恒压供水控制

变频恒压供水是指当用水量发生改变时，变频器自动调节输出频率响应用水量的变化，以维持出口压力保持不变。与一般的以转速为控制对象的变频系统不同，涉及流体工艺的变频系统通常都是以流量、压力、温度、液位等工艺参数为控制量，实现恒量或变量控制，这就需要变频器工作于PID方式下，按照工艺参数的变化趋势来调节泵或风机的转速［3］。将PID 控制器、变频器、电动机、水泵、压力变送器组成变频恒压供水控制系统。

图1 变频恒压供水控制系统框图

回用水投运时，装设在中水回用水泵出口的压力变送器实时采集水压，将压力信号转换为4 mA～20 mA 电流信号送至PID 控制器。PID 控制器将实际压力与设定压力值进行比较、运算，并将结果转换为变频调节信号送至变频器内。当压力降低时，变频器输出频率提高，水泵转速增加，出水量增加;当压力过高时，变频器输出频率降低，水泵转速下降，出水量降低，维持压力恒定。变频器根据该指令来调节输出频率，频率改变时电机、水泵的转速随着发生改变。通过调节水泵的转速来调节水泵出水量，达到响应用水量的变化，维持压力恒定的目的。当压力降低时，变频器输出频率提高，水泵转速增加，出水量增加;当压力过高时，变频器输出频率降低，水泵转速下降，出水量降低，维持压力恒定。

3 变频改造实施方案

3.1 采用变频器内置PID 控制

污水厂中水回用水泵房水泵电机采用就地开关柜控制，无程控系统。现在的大多数变频器，无论是水泵风机专用型，还是通用型都内置了PID 控制功能。采用变频器内置PID 接线简单，参数设定便捷，可以省去PLC 的投资与调试，特别适用于没有上位机程控的工业系统，只需投资变频控制柜即可在就地实现自动变频恒压供水。启动变频器内部的PID 宏，要维持的出口压力通过控制面板进行设定，压力反馈接入变频器模拟量输入端。

3.2 一拖二变频控制

三台中水回用水泵一用两备，一台水泵即可满足我厂最大用水量的要求。为了节约成本、同时满足水泵定期切换的要求，对两台水泵电机进行变频一拖二控制，另一台作为工频备用。两台水泵通过接触器进行切换，要维持的目标压力在变频器内部设定。

图2 一拖二变频控制主电路图

如果压力变送器装设在出口母管上则两台水泵公用一个反馈信号，如果装设在水泵出口则反馈信号需要随着水泵一起进行切换。在各自的变送器回路中串接接触器的常开辅助触点，达到随水泵一起切换的目的。压力变送器采用两线制接线。

图3 压力信号选择切换电路图

一拖二变频控制节省了投资，但在操作、运行时需遵循以下几个原则:

1)启动变频器前先合上变频器下口接触器。变频器不允许长时间无负载空载输出。

2)两台负载电机不能同时并联运行。

3)变频器运行时不能断开接触器。因为断开电感性负载时，其会产生反电动势高压，对变频器有冲击。

4)变频器运行时不能切换两台负载电机。以上原则在操作中必须遵循，否则会减少变频器及接触器的使用寿命。为了简化操作流程、避免误操作造成设备的提早损坏，遵照第4)条操作原则设计出了优化后的控制图，如图4 所示。

图4 一拖二闭锁电路图

图中通过接触器KM1、KM2 的辅助触点，实现了两个接触器相互的自闭锁，避免两台负载电机并列运行。两台负载电机通过转换开关SA 进行切换，而且只有在变频器停止运行后才能进行切换。定义变频器运行后可编程输出继电器RO 得电，常开接点闭合，保证经SA 选择运行的电机接触器在变频器运行时始终带电，避免运行中误操作切换电机。通过优化设计避免了误操作，保证了设备的可靠性，简化了日常操作，为变频改造推广提供了参考。

4 变频改造后的效果

1)变频恒压中水回用系统具有齐全的保护功能，具有欠压、过流、过载、过热、缺相、短路保护等功能，设备可靠性高。

2)改造后降低了电机的启动电流，实现了平滑启动，减少了设备的损耗，延长了设备的使用寿命。同时可以消除在启、停过程中由于动能的急剧变化对供水管道的冲击。

3)整个系统由压力传感器反馈信号与设定值在变频内部形成闭环控制，根据压力变化调整输出频率维持出口压力恒定。能及时响应用水量的变化，提高了中水回用系统的利用效率，避免了人工调整，减少了工作量。

4)采用变频调速后转轴上的平均转矩和磨损减小，减少了维护量、降低了维修费用，并且可以有效地提高电机的使用寿命。

5)变频运行后能耗随着转速的降低而大幅减少，节能效果明显。

［1］李 锐，何世德，张占梅，等.城市中水在电厂循环冷却水系统的应用与展望［J］.环境科学与管理，2008，33(3)152－155.

［2］戴建强，郑敏.城市中水回用于电厂循环冷却水的处理技术实例［J］.环境科学与管理，2008，33(3) ：108－111.

［3］李方圆.变频器应用与维护［M］.北京：中国电力出版社，2009：1－52.