變頻調(diào)速裝置在萊鋼供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

0 引言

水泵是供水系統(tǒng)常用的設(shè)備，水泵通常是以流量為控制對象的。傳統(tǒng)的流量控制方法是閥門/擋板控制法，即通過關(guān)小和開大閥門/擋板的開度來調(diào)節(jié)水流量。閥門控制法的實質(zhì)是通過改變管網(wǎng)阻力大小來改變流量。因此，這種控制方式當所需流量減少時，壓力反而會增加，故軸功率的降低有限，此時，過剩的水泵功率將導致壓力增加而白白浪費掉了。利用變頻調(diào)速裝置，可在閥門/擋板全開的情況下，通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，其實質(zhì)是通過減少流體動力來節(jié)電。

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的成熟、普及及應(yīng)用，采用變頻調(diào)速實現(xiàn)恒壓供水其節(jié)能效果是顯著的。變頻恒壓供水系統(tǒng)是采用可編程控制器、PID儀表和變頻器而研制成的新一代供水系統(tǒng)，通過壓力變送器和PLC構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。按恒壓、節(jié)能節(jié)水的優(yōu)化運行原則，隨著用水量的變化，PID儀表不斷地進行壓力采樣，PLC 進行邏輯運算自動控制機組中泵的轉(zhuǎn)速和切換，從而實現(xiàn)全自動恒壓變頻供水。

1 變頻恒壓供水原理

變頻恒壓供水控制系統(tǒng)通過檢測管網(wǎng)壓力變化，或者按設(shè)定要求隨時間變化而自動調(diào)整壓力給定值，通過壓力變送器，將管網(wǎng)壓力反饋給PID儀表，求出壓力偏差，然后進行邏輯判斷和人工神經(jīng)元控制算法數(shù)字調(diào)節(jié)運算。目的是控制變頻器的輸出頻率和輸出電壓，從而調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，控制變頻泵和多臺工頻泵的啟停而達到恒壓供水的目的。變頻器的頻率超限信號(一般可作為管網(wǎng)壓力極限信號)可實時通知PLC 進行變頻泵邏輯切換。為防止水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生，泵的啟停將聯(lián)動其出口閥門。

典型的自動恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)具有控制水泵出口總管壓力恒定、變流量供水功能，系統(tǒng)通過安裝在出水總管上的壓力傳感器、流量傳感器，實時將壓力、流量非電量信號轉(zhuǎn)換為電信號，輸入至可編程控制器(PLC)的輸入模塊，信號經(jīng)CPU運算處理后與設(shè)定的信號進行比較運算，得出最佳的運行工況參數(shù)，由系統(tǒng)的輸出模塊輸出邏輯控制指令和變頻器的頻率設(shè)定值，控制泵站投運水泵的臺數(shù)及變頻泵的運行工況，并實現(xiàn)對每臺水泵根據(jù)CPU 指令實施軟啟動、軟切換及變頻運行。

系統(tǒng)可根據(jù)用戶用水量的變化，自動確定泵組的水泵的循環(huán)運行，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及供水的質(zhì)量。

變頻恒壓供水系統(tǒng)各單元的功能如下：

1)變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)流量，并保持恒壓供水，同時實現(xiàn)電機的無級調(diào)速;

2)安裝于供水管道上的壓力變送器(傳感器)的任務(wù)是檢測管網(wǎng)水壓，將管網(wǎng)壓力轉(zhuǎn)換成1~5 V的電信號;

3)壓力設(shè)定單元的任務(wù)是為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的水壓期望值;

4)可編程控制器(PLC)的任務(wù)是綜合壓力設(shè)定信號和壓力反饋信號后，經(jīng)其內(nèi)部PID控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉(zhuǎn)速控制信號或邏輯切換信號。

此外，上述系統(tǒng)還配備了外圍輔助電路，以保障自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可通過人工調(diào)節(jié)方式維持系統(tǒng)運行，保證連續(xù)生產(chǎn)。

2 變頻調(diào)速裝置在萊鋼供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

萊鋼在供水系統(tǒng)中應(yīng)用變頻調(diào)速裝置的設(shè)計原則是保證恒壓供水，滿足用戶需求，并盡量節(jié)能。

當用水量不是很大時，一臺泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運行;當用水量大到變頻器全速運行也不能保證管網(wǎng)的壓力和穩(wěn)定時，PLC 自動將原工作在變頻狀態(tài)下的水泵投入到工頻運行，同時將一臺備用的水泵用變頻器起動后投入運行，以加大管網(wǎng)的供水量保證壓力穩(wěn)定。

當用水量減少到變頻器已工作在頻率設(shè)定的下限，且管網(wǎng)壓力仍超過上限值時，PLC 首先將工頻運行的泵停掉，以減少供水量。如果管網(wǎng)壓力仍超過上限值則PLC再停掉一臺工頻運行的電機，直到最后一臺泵用變頻器恒壓供水。另外，控制系統(tǒng)設(shè)計2臺泵為一組，每臺泵的電機累計運行時間可顯示，24 h輪換一次，既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)的泵有相同的運行時間，確保了泵的可靠使用壽命。

3 工程實例

萊鋼自來水廠擁有一座10 000 m3的清水池，共有4臺水泵，其電機容量均為180 kW，負責整個萊鋼生活區(qū)的生活用水的供應(yīng)。根據(jù)多年來的運行經(jīng)驗，我們設(shè)計為1#、2#水泵采用一臺變頻器調(diào)速控制，3#、4#水泵采用軟啟動。

正常情況下，利用工頻—變頻母線，變頻起、停1#、2#主泵，1#、2# 水泵啟動后慢慢升速，根據(jù)采集到的總出水口壓力信號，由PLC軟件設(shè)定實現(xiàn)調(diào)節(jié)功能，同時輸出一個采樣壓力信號，該采樣信號與預(yù)設(shè)定信號比較，采樣信號小于預(yù)設(shè)定壓力信號，PLC 將啟動變頻器使水泵升速運行，同時，隨時將不斷變化的采樣信號與設(shè)定壓力信號比較，控制變頻器在某一范圍內(nèi)運行。當外部水量較大，而變頻水泵全速運行仍不能滿足要求時，則全速運轉(zhuǎn)1#、2# 主泵，由PLC 發(fā)出開機命令，通過軟啟動工頻運行3#、4#水泵，然后PLC根據(jù)3#、4#水泵啟動后外部用水壓力的變化情況自動調(diào)節(jié)兩臺變頻水泵的輸出，達到管網(wǎng)壓力的設(shè)定值，使供水壓力保持恒定。

鑰莊加壓泵房低壓系統(tǒng)共控制3臺水泵，3臺水泵的電機配置方式為2×132 kW+1×55 kW，采用電抗器降壓啟動，控制設(shè)備老化、技術(shù)落后。根據(jù)多年來的運行經(jīng)驗，一般情況下，2臺1×132 kW+1×55kW水泵電機的運行方式容量偏小，而2臺2×132 kW的水泵電機的運行方式容量偏大。

根據(jù)該泵房實際的工藝狀況及低壓系統(tǒng)目前存在的問題，我們將變頻器和軟啟動器結(jié)合在鑰莊泵房進行了應(yīng)用，即用1臺變頻器控制1臺132 kW的水泵電機，另1臺132 kW和55 kW的水泵電機采用軟啟動器控制。變頻器采用PID調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了恒壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時要求變頻器具有手動/自動切換功能，既能夠手動調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速并結(jié)合高壓系統(tǒng)中央信號屏的改造，將壓力指示、頻率指示及電源工作指示信號均引至中央信號屏，并能在信號屏上手動調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。技術(shù)改造后調(diào)節(jié)閥門全開既實現(xiàn)了恒壓供水，又節(jié)約了電能。

4 系統(tǒng)經(jīng)濟效益分析及系統(tǒng)優(yōu)點

4.1 經(jīng)濟效益分析

變頻泵的功率P1、供水量q1與泵轉(zhuǎn)速n1三者的關(guān)系如下

4.2 系統(tǒng)優(yōu)點

1)由于采用了變頻調(diào)速，水泵的轉(zhuǎn)速是由外供水量決定的，故系統(tǒng)在運行過程中節(jié)約的電能可觀，其經(jīng)濟效益是十分明顯的。由于其節(jié)電效果明顯，所以系統(tǒng)具有投資回收快，且長期受益，其產(chǎn)生的社會效益也是非常巨大的。

2)由于采用了變頻調(diào)速，水泵電動機實現(xiàn)了軟啟動，避免了電動機啟動時的電流沖擊對電網(wǎng)電壓造成波動的影響，降低了對供電電網(wǎng)容量的要求，同時也避免了電動機突然加速對泵系統(tǒng)的沖擊。

3)由于采用了變頻調(diào)速，當管網(wǎng)流量小于額定流量時，泵轉(zhuǎn)速將自動降低，從而減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長了泵和電動機的機械使用壽命。

4)因?qū)崿F(xiàn)恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了操作員的勞動強度，也節(jié)省了人力。

5 結(jié)語

采用PLC、PID儀表和變頻器的變頻恒壓供水系統(tǒng)，能根據(jù)管網(wǎng)壓力變化，自動控制多臺水泵工頻、變頻切換以及變頻泵的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)恒壓供水。工程實踐表明，這一系統(tǒng)具有降耗節(jié)電、延長水泵電機使用壽命、降低工人勞動強度等優(yōu)點，值得推廣。