摘? 要： 根據(jù)原單位南區(qū)供水系統(tǒng)改造的實(shí)例，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析、節(jié)能原理、控制方式、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及變頻調(diào)速后的節(jié)能效果等幾個(gè)方面，介紹了變頻調(diào)速技術(shù)在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用。
??? 關(guān)鍵詞： 變頻技術(shù)；供水系統(tǒng)；揚(yáng)程；流量；MicroMaster430
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筆者原所在單位是一個(gè)擁有5 000多職工的國有企業(yè)，近一萬人的飲用水全靠后山頂上的水塔供給，這樣的供水系統(tǒng)往往使系統(tǒng)里的水壓不恒定，而且水塔會(huì)引起二次污染。2003年企業(yè)倒閉后，小區(qū)修建了水泵房，其控制方式是：根據(jù)用水量調(diào)節(jié)開停泵數(shù)量，壓力偏小時(shí)加泵，壓力偏高時(shí)減泵，而且完全由人工手動(dòng)控制。這樣的操作和管理方式落后，無法建立嚴(yán)格的科學(xué)管理體制，設(shè)備運(yùn)行不合理，維修量大，能耗高，機(jī)械磨損也較大。
眾所周知，電力負(fù)載中風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載的用電量約占總用電量的60%～70%。向這類負(fù)載供電的突出矛盾表現(xiàn)在：電網(wǎng)負(fù)荷率偏低，電力系統(tǒng)峰谷差很大，高峰電力往往嚴(yán)重不足。因此風(fēng)機(jī)和泵類的節(jié)能問題就顯得尤為重要。為了提高能源的利用率，且考慮到幾千的下崗職工生活都很艱難，2007年組成了一個(gè)四人設(shè)計(jì)改造小組，準(zhǔn)備將南區(qū)的水泵房改用變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)。2008年7月正式投入使用。
1 系統(tǒng)簡介
1.1 恒壓供水系統(tǒng)分析
恒壓供水是指在供水網(wǎng)系中用水量發(fā)生變化時(shí)，出口壓力保持不變的供水方式。這樣既可以滿足各個(gè)部位的用戶對(duì)水的需求，又不使電機(jī)空轉(zhuǎn)，造成能量浪費(fèi)。而系統(tǒng)中，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對(duì)象，而供水量的大小取決于揚(yáng)程，但揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測(cè)量和控制。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需要變頻器根據(jù)給定壓力信號(hào)和反饋壓力信號(hào)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制管網(wǎng)中水壓恒定的目的。
水泵運(yùn)行工作點(diǎn)位置與水泵負(fù)載有關(guān)，在水泵負(fù)載經(jīng)常變化的情況下，水泵不能總處在高效區(qū)域中工作。為使水泵適應(yīng)外界負(fù)載變化的要求，可采用變速調(diào)節(jié)，即在管網(wǎng)特性曲線基本不變時(shí)，采用改變水泵轉(zhuǎn)速來改變泵的Q-H特性曲線[1]，從而改變它的工作點(diǎn)，達(dá)到既改變流量又能保證水泵恒定和輸入功率減少的目的。系統(tǒng)變速運(yùn)行圖如圖1所示。
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圖1中，橫坐標(biāo)為水泵流量Q，縱坐標(biāo)為水泵揚(yáng)程H。泵的揚(yáng)程和出水壓力是線性關(guān)系，因此可以近似表示為出水壓力P。EA是恒壓線，n1、n2、n3是不同轉(zhuǎn)速下的流量／壓力特性。可見在n1轉(zhuǎn)速下，如果通過控制閥門的開度，使流量從Qa減少到Qc時(shí)，壓力將沿n1曲線升高到D點(diǎn)。所以，在流量減少的同時(shí)，提高了壓力。如果從轉(zhuǎn)速n1降低到n3，則流量沿著恒壓力線從Qa減少到Qc時(shí)，而壓力沒變?？梢?，在一定范圍內(nèi)，可以在保持出水壓力恒定的前提下，通過改變轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，并且沒有壓力升高帶來的損失。這種特性表明，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，改變出水流量，使壓力穩(wěn)定在恒壓線上，就能夠完成流體的恒壓供水。
1.2 變頻恒壓供水的構(gòu)成
整個(gè)系統(tǒng)采用一臺(tái)變頻器控制水泵電動(dòng)機(jī)，一主兩輔供水系統(tǒng)，如圖2所示。實(shí)際揚(yáng)程HA＝30 m，要求供水壓力保持在0.5 MPa，壓力變送器的量程是0～1 MPa。原主泵電動(dòng)機(jī)為25 kW、45.5 A、1 470 r/min；輔泵電動(dòng)機(jī)為5.5 kW、11.6 A、1 440 r/min?，F(xiàn)將主泵電動(dòng)機(jī)由變頻器控制，輔泵電動(dòng)機(jī)直接接到工頻電源上。
為了完成特定的控制任務(wù)，對(duì)每一種驅(qū)動(dòng)裝置都有特定的控制要求。對(duì)變頻器驅(qū)動(dòng)裝置的要求是能夠方便和靈活地實(shí)現(xiàn)各式各樣應(yīng)用系統(tǒng)的控制特性。MicroMaster430變頻器具有模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它通過調(diào)節(jié)速度來控制水泵的流量，取代了傳統(tǒng)的用閥門和擋板截流控制的解決方案，進(jìn)而節(jié)約了大量的能源。而且它具有以下功能：線性v/f控制，并帶有增強(qiáng)電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和控制特性的磁通電流控制(FCC)，多點(diǎn)v/f控制；內(nèi)置PID控制器；快速電流限制，防止運(yùn)行中不應(yīng)有的跳閘；多泵切換。它完全能夠滿足應(yīng)用系統(tǒng)控制靈活性的要求。這種變頻器的特點(diǎn)是能源的利用效率高，有較多的輸入和輸出端子，而且對(duì)操作面板進(jìn)行了優(yōu)化，便于手動(dòng)操作方式和自動(dòng)操作方式之間的切換。因此配用西門子MM430系列、29 kW(適配電動(dòng)機(jī)為25 kW)、45 A的變頻器控制主泵電動(dòng)機(jī)。
圖3為系統(tǒng)方框圖[2]，圖中水泵電機(jī)是輸出環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速由變頻器控制，實(shí)現(xiàn)變流量恒壓控制。MicroMaster430接收給定和反饋信號(hào)后經(jīng)過PID調(diào)節(jié)，輸出運(yùn)轉(zhuǎn)頻率指令。壓力傳感器檢測(cè)管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)樽冾l器可接收的模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
控制系統(tǒng)的工作原理：變頻調(diào)速恒壓供水控制最終是通過調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的，水泵是供水的執(zhí)行單元，通過調(diào)速能實(shí)現(xiàn)水壓恒定是由水泵特性來決定的。
1.3 系統(tǒng)節(jié)能調(diào)節(jié)方法
1．3.1 調(diào)節(jié)流量的方法
如圖4所示，曲線1是閥門全部打開時(shí)，供水系統(tǒng)的阻力特性；曲線2是額定轉(zhuǎn)速時(shí)，泵的揚(yáng)程特性。此時(shí)供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)為A，流量為Qa，揚(yáng)程為Ha，電動(dòng)機(jī)的軸功率與面積0-Qa-A-Ha-0成正比。如果要將流量減少為Qb主要的調(diào)節(jié)方法有兩種：
(1)傳統(tǒng)的方法是電動(dòng)機(jī)(和水泵)的轉(zhuǎn)速保持不變，將閥門關(guān)小，這時(shí)阻力特性如曲線3所示，工作點(diǎn)移至B點(diǎn)：流量為Qb，揚(yáng)程為Hb，電動(dòng)機(jī)的軸功率與面積0-Qb-B-Hb-0成正比。
(2)閥門的開度不變，降低電動(dòng)機(jī)(和水泵)的轉(zhuǎn)速，這時(shí)揚(yáng)程特性曲線如曲線4所示：工作點(diǎn)移至C點(diǎn)，流量仍為Qb，但揚(yáng)程為Hc，電動(dòng)機(jī)的軸功率與面積0-Qb-C-Hc-0成正比。
1.3.2 兩種調(diào)節(jié)流量方法的比較
水泵在改變轉(zhuǎn)速時(shí)，其內(nèi)部幾何尺寸并沒有改變，根據(jù)水泵的相似原理[3]可知：變速前后流量、揚(yáng)程、功率與轉(zhuǎn)速之間關(guān)系為：
式中P1、H1、Q1為轉(zhuǎn)速n1時(shí)的功率、揚(yáng)程、流量；P2、H2、Q2為轉(zhuǎn)速n2時(shí)的功率、揚(yáng)程、流量。
當(dāng)速度變化時(shí)，流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。從這一比例定律關(guān)系可看出：同一臺(tái)泵在轉(zhuǎn)速變化時(shí)，泵的主要性能參數(shù)將按上述比例定律變化，并且在變化過程中保持效率基本不變。由此可見，當(dāng)水泵在變負(fù)荷工作情況下，采用變頻器調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，軸功率隨轉(zhuǎn)速比的三次方關(guān)系進(jìn)行變化，調(diào)節(jié)流量電動(dòng)機(jī)所取用的功率將大為減少，因而是一種能夠顯著節(jié)約能源的好方法，節(jié)電效果明顯。
2 功能預(yù)置
2.1 基本功能和相關(guān)功能及保護(hù)功能預(yù)置[2]
??? 變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能往往和生產(chǎn)機(jī)械并未很好地吻合，因此，針對(duì)水泵的具體情況對(duì)變頻器的各項(xiàng)功能進(jìn)行了如下的調(diào)整，如表1所示。
2.2 轉(zhuǎn)矩提升功能設(shè)置
??? 西門子變頻器的U/f線設(shè)置[4]，如圖5所示。
3 加、減泵切換控制過程
3.1 加、減泵控制分析
??? 一主兩輔加、減泵控制分析圖如圖6所示。
3.2 功能預(yù)置[4]
??? 功能預(yù)置如表2所示。
4 經(jīng)濟(jì)效果
??? (1)對(duì)水泵進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行，不僅是對(duì)供水流量與壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且有著非常顯著的節(jié)能效果。當(dāng)變頻泵運(yùn)行45 Hz時(shí)，比工頻運(yùn)轉(zhuǎn)節(jié)電27％。
??? (2)變頻調(diào)速可以根據(jù)用水需求量對(duì)水泵流量進(jìn)行無級(jí)調(diào)整，減少開停工頻泵的次數(shù)，減少對(duì)電網(wǎng)及水泵機(jī)械的沖擊，延長設(shè)備的使用壽命，大大減少爆管的危險(xiǎn)，減少工程維修費(fèi)用和跑水的浪費(fèi)，間接節(jié)約了成本。
??? (3)系統(tǒng)運(yùn)行半年多的時(shí)間了，從運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，其直接節(jié)電率在12％以上?？紤]減少維修費(fèi)用，延長設(shè)備使用壽命，提高管理水平和自動(dòng)化監(jiān)控能力等間接節(jié)能效率，總節(jié)能率可達(dá)18％以上。
??? 變頻調(diào)速恒壓供水控制裝置能夠極大地改善給水管網(wǎng)的供水環(huán)境，該系統(tǒng)可根據(jù)管網(wǎng)瞬間壓力變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速和多臺(tái)水泵電機(jī)的投入及退出，使管網(wǎng)主干出口端保持在恒定的設(shè)定壓力值，整個(gè)供水系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能和運(yùn)行在最佳狀態(tài)，大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，減少了能源浪費(fèi)。
參考文獻(xiàn)
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