变频调速技术在自来水厂V型滤池反冲中的应用

2012-08-08万轶迅

电脑与电信 2012年12期

万轶迅

(重庆水务集团股份有限公司，重庆 400015)

1.引言

我集团所属某水厂设计日供水量20万吨，采用法国V型滤池过滤工艺，反冲洗系统采用气水反冲洗技术，采用电脑自动控制全过程。

气水反冲洗滤池，共二组，每组滤池设计规模10万m3/d。每组滤池分为5格，单池43.98 28.65m，构筑物高4.1m，总高9.2米滤池采用均粒石英砂滤料过滤，滤料粒径为0.8~1.0mm，滤床厚度为1.2m，过滤速度8.2m/h，强制滤速10.5m/h。

滤池反冲洗采用三阶段气水反冲洗方式，采用长柄滤头布水。设计气水联合冲洗时水冲强度3.6L/m2.s，单独水冲洗强度7L/m2.s，气冲洗强度15L/m2.s。反冲洗水泵采用三台（二用一备）蜗壳水泵，型号EBARA 400SZPM，单台Q＝1360m3/h，H＝9.8m，n=740，效率 87%；配套 8级湘潭电机，55kW，n=740，效率92%，二用一备。

在该水厂生产运行中，发现反冲时造成了滤池跑沙严重，由于在建调试期间的跑沙和后续的运行，现场沙层厚度已经低于1米（设计值1.2米），甚至最低达到了0.8米以下。在2010年滤池滤料采取了补沙400吨基本达到滤料的设计厚度，因此展开对滤池进行了全面研究和技术创新。

2.滤池初始参数测定

为对比技术创新前后的参数和经济效益分析，该水厂在2011年8月对滤池的各项主要运行参数进行了测定。根据该水厂滤池的运行工况，选取比较有代表性的四口滤池作为本次测试对象，并对能测试和反映滤池工况的主要运行参数进行了测定，包括运行时间、负荷率、反冲周期、阻塞值、滤后水浊度、反冲三个阶段的时间参数(气冲、气水混合和水冲)、气水混合冲阶段水冲强度、水冲阶段强度、含泥量、滤料高度和跑沙量等(表1)。

通过对表1中滤池的参数分析，对各滤池的运行状况进行了前期测评，得出如下测评结果：

(1)反冲过程跑沙严重

由于滤池必须靠有效的反冲洗来维持滤池的正常及可靠运行，所以要求反冲洗强度必须适当。太弱达不到冲洗要求，影响过滤效果；太强则会造成跑沙，甚至对滤池结构造成破坏。在实际运行中，由于受到设备选型等因数的影响，很难达到反冲强度最佳状态。为保证反冲效果，设计往往选型预留量20%以上，造成过强冲洗。

该水厂滤池在气水混合冲时启动一台水泵，水冲时启动二台水泵，在水冲过程中就存在反冲水量较大，反冲强度太强，以至于跑沙严重，最高的滤池A5单次达到了3.68吨（包含测量误差）。

从测试数据中可以看出，滤池在气水混合冲阶段反冲设计强度为3.6L/m2.s，实际平均强度为5.26 L/m2.s，超过了设计量的46.1%。在水冲阶段，反冲设计强度为7 L/m2.s，实际平均强度为9.60 L/m2.s，超过了设计值的37.1%。这也造成该水厂水厂滤池跑沙严重。

(2)反冲水电消耗增加

实际反冲强度远远大于设计反冲强度，每口滤池反冲的强度过大，造成了反冲过程多余的水耗，也消耗了多余的电能。

3.创新措施的选取

通过测试，找到反冲水强度过大的症结后，对调节反冲洗强度进行了全面分析和探索，选取了适合本次技术创新的措施。

3.1 水泵流量调节的原理和方法

通过调节泵转速能很方便地实现改变泵的流量、扬程，从而达到满足减小水量的要求。要改变转速，采取的措施三个方面：

(1)改变转差率，电机生产后，改变转差率实施起来很困难；

(2)改变电机的极对数，不能实现需要的无极调速；

(3)改变定子供电频率，也就是变频调速。

改变定子供电频率是指通过改变异步电动机定子端输入电源的频率来改变电动机的转速，从而达到改变水泵转速的目的，也成为变频调速，它能实现在相同扬程下流量的无极调节。根据交流异步电动机输出转速公式n=60f(1-s)/p，在转差率不变时调节频率就可以调节电动机的转速。一旦泵的配套电动机选定，如不进行特殊的处理，这时电动机的转速将与供电频率成正比，即电源的频率越高，转速就越快；反之，转速越低。改变泵的转速，即能实现泵流量、扬程满足供水要求。

3.2 选取变频调节创新方式的优点

机泵变频的基本原理如图1所示。对于不调速运行的水泵，其工作点只能在n=n0对应的一条曲线上移动。当用户所需流量从qv.0减小为qv.2时，阀门控制法只能通过关小阀门来实现。由于阀门摩擦阻力变大，管阻特性曲线从曲线1变到曲线2，而扬程特性仍为n=n0时的曲线，因此供水系统的工作点由A点移到A2点，这时流量减小，扬程却增加了A2B2段的扬程。

变频通过自动调节泵的转速，可使管网的某一参数点的水压始终保持恒定。例如：当计算点取在泵出口，且流量分别为 qv.0、qv.1、qv.2时，将泵转速分别调在 n0、n1、n2，则泵出水口的压力保持恒定（工作点分别为A、B1、B2)。如果计算点远离泵出水口，当流量分别为qv.0、qv.1、qv.2时，泵转速应分别调在 n0、n1、n2（工作点分别为 A、C1、C2）。这样考虑管网损失后，计算点上的水压基本是恒定的。可见，当计算点远离泵出水口时，为了保证计算点的水压恒定，泵的出口水压将变动，这种供水方式称为“变压供水”。从图1不难看出，当流量分别为qv.0、qv.2时，恒压供水方式比不调速泵供水方式分别节省A1B1和A2B2段扬程；而变压供水比恒压供水又分别节省了B1C1和B2C2段的扬程。

图1 变频恒压供水的基本原理图

图2 变频效率曲线图

从图2中变频效率曲线l可以看出，当流量qv=qv.2时，其效率将降至B点可见，随着流量的减小，水泵运行效率的显著降低。而在转速控制方式下，其效率曲线因转速而变化，在n2时的效率曲线为图2的曲线2。当流量qv=qv.2时，效率为c点之值，和qv=qv.2时的效率（A点）基本相等，即采用转速控制可使水泵的效率总处于最佳状态。

3.3 变频技术创新方式的现场应用

我们对反冲三台水泵中两台水泵电机加装变频装置，工作形式同样采用两用一备，有以下三种方式：

(1)在气水混合冲时开启一台变频机泵，在水冲时再开启一台变频机泵，另外一台工频机泵作为备用。此方式较为合理，通过调试在气水混合冲和水冲阶段均能达到最佳冲洗状态。

(2)在气水混合冲时开启一台工频机泵，在水冲时再开启一台变频机泵，另外一台变频机泵作为备用。此方式由于工频机泵出水量太大，变频机泵出水量达不到其最小出水量而不能出水。

(3)在气水混合冲时开启一台变频机泵，在水冲时再开启一台工频机泵，另一台变频机泵作为备用。同方式(2)，在工频机泵启动后，变频机泵不能出水。

通过三个运行方式方案的技术比较，我们采用方案(1)的工作方式，既能满足变频现场调节水量的要求，也能达到最大的节能要求。

4.结果与讨论

本次改造后，由于水温和各滤池等客观因素，为避免对现有生产系统造成影响，调试分为两步进行。首先选取靠近设计值的中间值研究运行工况。经过计算设计参数时变频器应运行在44HZ左右，选取变频为45HZ，进行初步调试，稳定运行后再根据测试参数进行优化调节。然后观察运行情况，发现反冲过程中的气水混合冲和水冲频率不能一致，结合实际参数，将气水混合冲阶段频率调整为44.2HZ，水冲阶段频率调整为43HZ。

从以上表格可以看出，本次改造后滤池的滤后水浊度和含泥量等没有明显变化，同时滤池反冲洗周期和技术创新改造前一致，说明达到了应有的反冲效果。从本次技术创新的经济效益分析，经过现场测定发现：(1)反冲水节约114780 m3/年；(2)反冲电节约1800KWH/年；(3)滤池跑沙年节约133.33吨/年。