交流变频技术在供水行业的应用

一、前言
工业生产广泛使用电力拖动，电力拖动的耗电量占了工业生总耗电量的一半，而电力拖动又离不开调速，选用先进的调速技术是节能降耗的重要措施，在供水行业也是如此。如用交流变频器驱动大功率水泵已得到普遍应用，一般都取得了明显的节能效果。
交流变频不但节能效果好，由于其调速平滑、调速范围宽、机械特性硬、保护功能齐全、安装简单、操作方便、控制灵活、运行平稳、安全可靠，使其能满足广泛的应用需求。在供水行业有很多从工艺上需要调速的情况，如控制计量泵等精确给定各种药剂投加量、通过反馈调节稳定水位、压力、流量等。
近一、二十年来，我国供水行业自动化程度也在不断提高，这一方面是人们的观念在变化，同时也是自动控制技术与设备水平提高的结果。交流变频设备作为自动化系统一个便利的控制执行设备，对自动化技术的提高起到了推波助澜作用。
交流变频是在现代微电子技术基础上发展起来的新技术，它不但比传统的直流电机调速优越，而且也比调压调速、变极调速、串级调速、液力耦合调速等调速方式优越，是理想的调速方式。目前工业发达国家已广泛采用变频调速技术，在我国也是国家重点推广的节电新技术。
交流变频器作为商品开始在国内上市，是近十年的事，销售额逐年增加，于今全年有超过数十亿元人民币的市场。其中，各种进口品牌居多，如ABB、AB、富士、西门子、三肯、安川等。。
由于技术的提高、应用领域的扩大、生产成本的降低和市场竞争的加剧等原因，交流变频设备的价格不断降低，这又反过来促进了其应用领域的扩大，同时也需要有更多从事供水行业的技术人员更好地掌握交流变频设备的特性和行业应用技术。

排泥行车
    平流沉淀池的排泥对沉淀的效能影响较大，及时排除积泥是保证沉淀池正常运行的必要条件，积泥过多将导致沉淀池有效深度和容积减小，水力停留时间缩短，降低沉淀效率，影响出水水质。采用机械吸泥排泥行车排泥可靠性较高，目前基本采用往复式“M”形4个行程的排泥方法。这样控制较复杂，行车行走距离又长，机械磨损较大，常出现行车咬轨甚至脱轨现象。采用变频调速改造可以根据积泥深度调节行车的行走速度(递增或递减)，一个行程就可以将泥排尽。积泥深度可以用污泥界面仪测得或经验估计，以此作为变频器的给定输入、比例调节变频器的输出频率。

药剂投加
    混凝剂、石灰的投加，需要根据原水水质与水量的变化及时准确地进行调节。投加混凝剂计量泵、投加石灰螺杆泵、加石灰给料机等利用变频器输出频率范围宽(0～200 Hz)的性能，可高于工频运行，使得投加量的调整范围变宽，满足工艺要求，降低药耗。其中混凝剂的投加控制：以原水流量作为变频器的输入信号比例调节计量泵的转速，用混合水SCD值的反馈量比例积分调节计量泵的冲程，两者配合组成前馈、反馈调节系统。石灰的投加控制：用原水流量作为给料机变频器的输入信号比例调节给料量，改变石灰液浓度 用投加点的pH值反馈量作为螺杆泵变频器的输入信号比例积分调节石灰液的投加量，改变原水pH值，这在梅林水厂使用效果良好。

滤池反冲洗
    滤池反冲洗是恢复和继续发挥滤池功能十分重要的手段，滤池的效率要依靠有效的清洗来实现。反冲洗强度不足会导致滤池清洗不彻底、堵塞较快、产生泥球等，影响过滤性能 反冲洗强度太大则会造成滤料层、承托层翻动，膨胀太高，出现跑砂、配水系统故障或漏砂等现象。滤池反冲洗基本上都是公用一套反冲洗设备，单个滤池的反冲洗气水管路有所不同，得到的反冲洗强度也大不一样 另外随着水温的变化，水的粘滞性变化较大，反冲洗强度也随之改变 理论设计与实际应用还存在着差别。如果采用变频器驱动反冲洗的水泵、风机，通过调节频率，单个滤池得到合适的反冲洗强度，既满足了工艺要求，又节约了能源、水量。

桥式吊车
    目前使用的桥式吊车大多数采用继电器、接触器控制，转子串电阻调速，使用中故障频繁。如果采用三台变频器分别驱动升降电机、大车行走电机、小车行走电机，在频繁使用的情况下，这种改造显得非常优越，调整范围广，调速精度高，启动、加速、减速、制动平稳，没有大电流和机械冲击，调整方便，运行可靠，节约电能。
    城市供水企业是一个耗能大户，许多设备的综合能耗大大高于先进水平 另一方面在制水过程中存在着自动化程度较低的现象，靠操作人员勤跑、勤看、勤调节的落后生产管理方法，在水质要求越来越高的情况下越来越不适应。因此，在供水行业推广应用变频器对节能降耗和提高自动化程度有着重要的意义。

二、交流变频设备在供水行业中的应用
交流变频设备在供水行业的应用目的不外乎两个，其一是为了节能降耗，其二是为了工艺的需要或优化，有些应用同时具备这两个目的。现按应用的技术特点分类介绍如下。

1、最简单的应用——人工调频
此类应用方式适于电机转速不需要经常调整或因缺少传感器不能构成自控系统的情况，使用变频器使工艺过程的人工调速成为可能或更方便。如：
(1)用变频器驱动取水泵取水，由人工根据清水池水位调节变频器频率，因为取水流量变化幅度小，清水池又有较大调节容积，所以人工调频不会太频繁；
(2)用变频器驱动计量泵电机进行混凝剂、助凝剂或消毒剂等的投加，因为在一些情况下原水水量、水质变化不大，而通过变频器与计量泵配合可以精确定量，操作者易做到心里有数，由人工摸索最佳投加量也是可能的；
(3)用变频器驱动风机或水泵进行滤池气洗或水洗，因为有些滤池的反洗程序本身就是人工操作的，由人工观察滤池反洗情况，根据需要调节频率大小和开机时间以控制气量或水量的大小与反洗时间等，可以达到反洗效果最佳、水电消耗量最少的目的。
这些应用是变频器的基本功能，使用变频器出厂参数，从操作面板直接调节频率即可。

2、多段频率的应用——不连续调频
在一些应用场合，可以用变频器的多段频率功能达到工艺要求，这种应用可以实现自动化，而给变频器的是开关信号，实施简单，可靠性也较高。如：
(1)根据平流沉淀池积泥规律将其分为若干段，并为每段设置一个吸泥行车行走速度(能将泥吸净又不浪费水的合适速度)、然后将行走速度换算为驱动行车变频器的频率，设在行车行程上的限位开关信号经变换后接入变频器，控制变频器的频率切换；
(2)笔者曾设计过一套混凝剂溶解与浓度控制系统，固体混凝剂用水力循环进行溶解，循环水流由变频器带动水泵驱动，该水泵同时用于向溶液池输送药液，经工艺设计使循环溶解所需水泵扬程大于输液所需水泵扬程，当检测浓度大于设定值时控制变频器以低频运行，只输液不溶解，由于补水由浮球阀控制，在药液使用消耗时不断补水，浓度逐渐降低，当浓度小于设定值时，控制变频器以高频运行，既输液又溶解，药液浓度不断提高，如此重复；
(3)有一类无塔供水设备，其原理是将供水流量或压力传换为若干开关信号，变频器根据这些开关信号状态改变频率，并驱动加压水泵以不同转速工作，达到保证供水的目的。

3、由外部信号直接给定频率的应用
这是变频器的一类常见应用，即将生产过程中的某一检测信号输入到变频器的AD口，由这一信号直接给定频率或经变换后给定频率。如：
(1)在自动控制系统中，由控制器（如PID调节器、PLC或微机等)输出控制信号(模拟信号或数字信号)，并直接接入变频器中作为频率给定信号；
(2)在水处理工艺中，当用流量比例控制助激剂或消毒剂等的投加时，可以将水处理流量信号输入变频器中，作为给定频率控制计量泵的转速；
(3)将声、光传感器的信号输入变频器中作为给定频率，由变频器驱动喷泉循环水泵，使得喷泉的水柱高度随着灯光或音乐的强弱而变化，形成奇妙的动态变化喷泉效果。

4、定值闭环控制应用
该类应用是利用变频器的PID或PI功能实现工业过程的闭环控制，并使被控制量(流量、压力、温度等)保持恒定。如：
(1)变频恒压供水设备的构成方案之一就是不依靠单片机、PLC或PID调节器等控制设备，而是直接将供水压力信号直接输入变频器中，由变频器将其与设定压力值比较，并通过内部PID或PI算法控制水泵转速，达到水压恒定；
(2)在水厂流动电流检测单闭环混凝剂投加系统中，可以将反映投药量的流动电流检测信号直接输入驱动计量泵的变频器中，由变频器将其与设定流动电流值比较，并通过内部PID或PI算法控制计量泵转速，实现最佳投药量控制;
(3)在水厂取水泵站，将清水池水位信号直接输入驱动取水泵的变频器中，由变频器将其与设定水位值比较，并通过内部PID或PI算法控制水泵转速，从而实现清水池水位恒定控制。

5、变值闭环控制应用
该类应用也是利用变频器的PID或PI功能实现工业过程的闭环控制，但被控制量的设定值不是由人工给出，而是要借助其它控制设备(单片机、FLC、FID调节器、计算机等)根据一定规律自动给出，而给出的设定值往拄是易变的。如：
(1)对于城镇送水泵站或加压泵站，也可采用变频调速进行供水压力闭环控制，但恒压供水不是最理想方案，供水压力应根据供水流量或用水时段设定，常用用一台PLC或单片机等根据供水流量或用水时段等计算水压设定值，由变频器根据实测水压与设定水压之差，用内部PID或PI算法控制水泵转速；
(2)上述水厂流动电流检测闭环控制混凝剂投加系统中，因流动电流检测值漂移等原因、流动电流最佳设定值也不是常数，有一种方案是利用滤前水浊度修正流动电流设定值，即构成所谓双闭环控制，用一台PLC或PID调节器根据滤前浊度与设定浊度差值来调节流动电流设定值，再将设定值输入到变频器，由变频器将其与检测值比较并根据内部的PID或PI算法控制投药计量泵转速；
(3)在滤池反洗控制中，可用变频器驱动反洗水泵，将反洗流量检测信号输入变频器，可由变频器的PID或PI算法组成反洗流量控制系统，用单片机、PLC或微机编制程序使反洗流量按一定规律变化，则可以构成效率最高和最节水的变速反洗控制系统。

三、结束语
交流变频设备的使用为许多工业过程带来了高质量和高效益。，供水行业越来越多的应用者也深深地体会到了这一点。
随着交流变额技术水平的不断提高，也随着行业应用者水平的不断提高，人们将可以为交流变频设备在供水行业找到更多的应用领域和应用方案，甚至交流变频设备的应用也可能引起供水工艺本身的革新。