變頻調(diào)速在自來水加壓泵站控制系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)研究
變頻調(diào)速在自來水加壓泵站控制系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)研究
變頻調(diào)速控制作為自來水加壓泵站運(yùn)行控制系統(tǒng)發(fā)展的主流趨勢，不僅可以確保用戶用水的正常，同時也可以大幅降低自來水加壓泵站運(yùn)轉(zhuǎn)階段的能耗，實現(xiàn)自來水加壓泵站運(yùn)轉(zhuǎn)控制的自動化與智能化。針對變頻調(diào)速在自來水加壓泵站控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，首先概述了變頻恒壓供水系統(tǒng)技術(shù)特點及其優(yōu)勢，進(jìn)而分析了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、控制原理以及基本組成，并結(jié)合工程應(yīng)用實例，詳細(xì)分析了變頻調(diào)速在自來水加壓泵站控制系統(tǒng)中應(yīng)用的實際效果。
自來水加壓泵站作為工農(nóng)業(yè)以及居民生活用水的重要基礎(chǔ)設(shè)施，也是確保工農(nóng)業(yè)生活生產(chǎn)用水正常的基礎(chǔ)條件。由于我國生產(chǎn)生活用水量巨大以及部分自來水加壓泵站設(shè)備的工作效率較低，因此導(dǎo)致自來水加壓泵站在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會消耗大量的電能。對自來水加壓泵站水泵機(jī)組進(jìn)行調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)控制，已經(jīng)成為提高自來水加壓泵站設(shè)備工作效率，降低自來水加壓泵站供水能耗的關(guān)鍵措施。當(dāng)前，對于自來水加壓泵站機(jī)組調(diào)速運(yùn)行最為先進(jìn)、最為有效的技術(shù)就是變頻調(diào)速技術(shù)，變頻調(diào)速技術(shù)的實質(zhì)就是通過將變頻調(diào)速器、壓力流量傳感器、控制器、水泵機(jī)組以及自來水加壓泵站管網(wǎng)組成聯(lián)動的供水系統(tǒng)，按照用水量、壓力值傳感器的反饋信號，通過對變頻器頻率的控制，改變自來水加壓泵站水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實現(xiàn)自來水加壓泵站機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，變頻調(diào)速技術(shù)不僅可以降低自來水加壓泵站機(jī)組設(shè)備運(yùn)行的能耗，同時對于提高自來水加壓泵站管網(wǎng)設(shè)備的使用壽命，確保自來水加壓泵站管網(wǎng)供水系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)也具有重要的作用。
1、自來水加壓泵站變頻調(diào)速控制技術(shù)概述
當(dāng)前在自來水加壓泵站變頻調(diào)速控制技術(shù)中，主要采取變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)，其技術(shù)原理為自來水加壓泵站變頻調(diào)速供水系統(tǒng)結(jié)合自來水加壓泵站用水量的變化情況，通過智能化、自動化的控制系統(tǒng)對變頻器的輸出頻率進(jìn)行改變，實現(xiàn)對自來水加壓泵站機(jī)組水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進(jìn)而確保自來水加壓泵站的供水水壓與用戶水壓的平衡，最終實現(xiàn)自來水加壓泵站供水管網(wǎng)整體水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)。變頻調(diào)速技術(shù)其實質(zhì)就是通過在相應(yīng)的管網(wǎng)壓力傳感信號輸入的狀態(tài)下，通過自動調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，達(dá)到改變自來水加壓泵站水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速以及供水量的目的，進(jìn)而在滿足對于水壓以及用水量要求的前提下，降低單位供水量的能耗。自來水加壓泵站變頻恒壓供水的技術(shù)優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾方面。
1）自來水加壓泵站采取變頻調(diào)速控制可以提高對于自來水加壓泵站系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的精準(zhǔn)控制。通過變頻調(diào)速系統(tǒng)，在用水量或者是水壓發(fā)生變化的情況下，通過計算機(jī)對這些變化進(jìn)行自動的檢測，并按照檢測信息調(diào)整自來水加壓泵站水泵機(jī)組的工作狀況，進(jìn)而確保自來水加壓泵站水泵處于高效的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)相關(guān)研究資料表明，變頻恒壓供水可以將供水壓力控制在20 kPa以內(nèi)，變頻調(diào)速的控制精準(zhǔn)度非常高。
2）變頻調(diào)速控制系統(tǒng)有助于保護(hù)自來水加壓泵站的供水設(shè)備。由于利用變頻調(diào)速控制能夠?qū)崿F(xiàn)水泵的軟啟動，自來水加壓泵站水泵的啟動電流以及啟動能耗大幅降低，同時水泵電機(jī)的供電容量也得以降低。因此，這就可以有效的避免水泵機(jī)組啟動以及運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的機(jī)械沖擊以及運(yùn)行磨損，此外由于采取變頻調(diào)速控制管理，因此能夠避免水泵在切換時出現(xiàn)的震蕩現(xiàn)象，對于延長自來水加壓泵站機(jī)組設(shè)備使用壽命具有重要作用。
3）可以有效的節(jié)約自來水加壓泵站機(jī)組設(shè)備運(yùn)行的能耗。通過變頻調(diào)速控制，水泵的工作狀態(tài)是隨著用戶用水量以及用水壓力的變化自動的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，水泵也是一直處于變頻的工作狀態(tài)。因而相比傳統(tǒng)的恒速水泵而言，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)期間的電能消耗也隨之降低，因而可以提高自來水加壓泵站水泵運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。
4）變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的適用性較強(qiáng)。針對當(dāng)前自來水加壓泵站供水單位中高層建筑用戶不斷增多的問題，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)可以在不改變供水需求的前提下，通過改變變頻調(diào)速供水系統(tǒng)壓力值以及流量參數(shù)，既可以完成對供水壓力以及流量的調(diào)整。由于對于用戶用水量的變化具有非常強(qiáng)的適應(yīng)性，因此變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的適用性也相對較強(qiáng)。
2、自來水加壓泵站變頻調(diào)速控制系統(tǒng)技術(shù)分析
2.1 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要是由控制系統(tǒng)、自來水加壓泵站水泵機(jī)組、變頻控制器、壓力傳感器以及邏輯控制電路等幾部分組成。其中控制器是整個變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的核心部件，主要負(fù)責(zé)將壓力傳感器輸送的信號按照一定的算法得出最優(yōu)化的系統(tǒng)運(yùn)行控制參數(shù)，并將控制參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)樽冾l器的頻率信號。電機(jī)水泵機(jī)組則是自來水加壓泵站傳送水的機(jī)電裝置，通過電機(jī)按照一定的壓力以及流量將水沿供水管道輸送到用戶處，同時根據(jù)用戶用水情況調(diào)整工頻運(yùn)行或者是變頻狀態(tài)運(yùn)行。變頻器則主要是由電力電子器件以及微處理器組成，通過在控制器控制頻率設(shè)定的輸入信號下，輸出與之對應(yīng)頻率的交流電，進(jìn)而起到控制自來水加壓泵站電機(jī)水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速的目的。壓力傳感器則主要是作為供水系統(tǒng)中的測量元件，將供水管道內(nèi)的水壓轉(zhuǎn)換為模擬信號輸入控制系統(tǒng)之中。繼電器則是對自來水加壓泵站水泵機(jī)組的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，對自來水加壓泵站水泵機(jī)組的工作的工頻或者是變頻狀態(tài)進(jìn)行切換。
2.2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)控制原理
現(xiàn)階段對于變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的控制一般是根據(jù)用戶用水量的大小對水泵的運(yùn)行方式進(jìn)行變頻調(diào)速控制。其具體控制原理如下所示：如果用戶的用水量L小于額定供水量Le，則自來水加壓泵站水泵機(jī)組中的部分水泵一直處于變頻運(yùn)轉(zhuǎn)方式，另外一部分水泵機(jī)組則處于停機(jī)狀態(tài)，此時供水量為Lf，是可以隨時根據(jù)用戶用水量的變化進(jìn)行調(diào)整從而確保供水壓力的穩(wěn)定。如果自來水加壓泵站在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中用戶的用水量L超過額定供水量Le，則此時可以將自來水加壓泵站水泵電機(jī)由變頻運(yùn)行方式切換為全部工頻運(yùn)行方式，確保供水量的充足。系統(tǒng)控制的基本原理為：當(dāng)L≤Le時，自來水加壓泵站多機(jī)組種部分機(jī)組停機(jī)，部分機(jī)組變頻運(yùn)行；當(dāng)L≥Le時，自來水加壓泵站多機(jī)組處于工頻運(yùn)行與變頻運(yùn)行兩種狀態(tài)。通過利用控制器按照這種計算方式對自來水加壓泵站供水方式進(jìn)行調(diào)整，確保實現(xiàn)恒壓變流量供水，既可以滿足用戶的需求同時又可以有效的節(jié)約資源。2.3 變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成
1）變頻調(diào)速控制系統(tǒng)控制器的選擇。對于變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的控制器可以選擇使用PLC、PC或者是單片機(jī)。PLC控制器主要由CPU、信號模板、通訊處理模塊以及功能模塊組成，PLC控制優(yōu)點是開發(fā)費用低，開發(fā)周期短，在很短的時間內(nèi)就能投入使用；缺點是控制功能簡單，造價稍高。PC控制器的特點在于軟件資源豐富，系統(tǒng)的硬件配置水平較高，而且后期功能擴(kuò)展也較為方便，但是工程造價高，而且占用空間也較大。單片機(jī)的特點是可靠性較好，控制功能豐富，邏輯功能以及運(yùn)行速度較高，而且價格也相對較為便宜。因此，在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中大多采用單片機(jī)作為控制器。
2）數(shù)字信號輸入端。為了實現(xiàn)自來水加壓泵站供水系統(tǒng)變頻調(diào)速控制，在供水過程中應(yīng)該將各種數(shù)據(jù)信號傳輸給控制器進(jìn)行計算處理，以便于輸出控制信號。對于變頻調(diào)速控制系統(tǒng)而言，輸入信號就是供水系統(tǒng)中不同位置的水壓情況。對于供水壓力信號的采集以及變送一般選擇使用差壓變速器完成，通過差壓變速器可以準(zhǔn)確的測量壓力、流量、液位以及比重等物理量，并將這些物理量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢宰R別的數(shù)字信號輸出。
3）信號輸出通道。對于變頻調(diào)速控制系統(tǒng)而言，信號輸出通道主要輸出對自來水加壓泵站水泵電機(jī)起停以及電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的信號。對于自來水加壓泵站水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制主要是將運(yùn)算處理的數(shù)字信號通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為變頻器的給定頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。對于自來水加壓泵站水泵電機(jī)的起停，則主要是通過開關(guān)量控制信號控制繼電器，通過繼電器放大后對接觸器開關(guān)進(jìn)行控制。
4）轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器分為A/D轉(zhuǎn)換器以及D/A轉(zhuǎn)換器兩種形式，使用轉(zhuǎn)換器的目的主要是對不同的信號模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器主要是為了將自來水加壓泵站變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中的壓力傳感器模擬信號轉(zhuǎn)換為控制器能夠識別的數(shù)字信號，D/A轉(zhuǎn)換器則是為了將控制器輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為能夠控制變頻器輸出頻率的電壓信號。對于轉(zhuǎn)換器的選擇，重點要選擇精度高、分辨率好以及轉(zhuǎn)換特性較好的轉(zhuǎn)換器。
3、變頻調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)用實例
3.1 自來水加壓泵站基本情況及系統(tǒng)概述
耿井自來水加壓泵站承擔(dān)東營市西部城區(qū)的主要供水任務(wù)，日設(shè)計供水量為20萬噸，并于近期完成了泵房水泵機(jī)電設(shè)備的變頻改造，其中主泵房的水泵電機(jī)功率為560 kW，分別由兩臺6 kV/560 kW變頻器進(jìn)行控制。對水泵自來水加壓泵站進(jìn)行變頻技術(shù)改造的基本目的是在閥門完全開放的前提下，通過變頻器的輸出頻率對自來水加壓泵站水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整以便于達(dá)到改變供水量的目的，改變了傳統(tǒng)的依靠閥門開度來調(diào)節(jié)自來水加壓泵站供水量的方式。同時依靠變頻調(diào)解控制緩解自來水加壓泵站啟停對于供水管網(wǎng)的沖擊，確保自來水加壓泵站供水管網(wǎng)水壓以及供水量的恒定。
機(jī)組：
1）水泵：四臺，型號：24SH-13、額定流量：3168 m3/h、額定揚(yáng)程：47.4 m、額定軸功率：550 kW、額定效率：88%、額定轉(zhuǎn)速：970 rpm。
2）電機(jī)：型號：Y4503-6、額定功率：560kW、額定電壓：6 kV、額定頻率：50 Hz、額定電流：63.17 A、額定功率因數(shù)：0.894、額定轉(zhuǎn)速：991 rpm。
3）變頻器：變頻器采用HARSVERT-A06/076變頻器，變頻器主要的技術(shù)性能指標(biāo)如下所示：變頻器容量790 kVA、額定輸出電流76 A、輸入頻率45 Hz到55 Hz、額定輸入電壓6000 V、允許電壓波動±10%、輸入功率因數(shù)≥0.96（大于20%負(fù)載時）、輸出頻率范圍0 Hz到50 Hz（即：調(diào)速范圍0～100%）、變頻器效率≥96%、輸出頻率分辨率0.01 Hz，無級調(diào)速、過載能力120%一分鐘，150%立即保護(hù)。
3.2 變頻調(diào)速控制的具體技術(shù)控制要求
1）變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的基本控制。首先變頻調(diào)速控制系統(tǒng)需要配置工頻旁路，通過設(shè)置工頻旁路確保水泵機(jī)組既可變頻調(diào)速運(yùn)行，也可以直接投入工頻運(yùn)行。其次，另外設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)保護(hù)，當(dāng)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)局部單元故障時，不停機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，以保障供水的持續(xù)性。此外，系統(tǒng)還專門配置了閥門聯(lián)動功能，實現(xiàn)開停泵全過程的全部自動化。
2）變頻調(diào)速控制系統(tǒng)閥門真空度的檢測。在自來水加壓泵站水泵啟動之前，為了確保水泵機(jī)組的正常啟動，必須保證水泵泵腔處于真空的狀態(tài)，因此，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在水泵啟動之前會對泵腔的真空度值進(jìn)行確定。如果泵腔的真空度值不滿足要求，變頻器則會自動報警并停止水泵的啟動工作。
3）管網(wǎng)閥門過力矩報警。在自來水加壓泵站運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于操作的原因或者是機(jī)械電器的原因，會出現(xiàn)閥門打開過度或關(guān)閉過度問題，也就是閥門過力矩，對于變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，一旦出現(xiàn)閥門過力矩的問題，則會自動向變頻器報警，進(jìn)而采取措施進(jìn)行處理。
4）水泵電機(jī)溫度的報警。通過在變頻器的模擬輸入通道參數(shù)設(shè)定中設(shè)置超溫報警、過熱跳閘保護(hù)、電機(jī)冷風(fēng)機(jī)啟動以及電機(jī)冷風(fēng)機(jī)關(guān)閉的臨界溫度值，可以實現(xiàn)變頻調(diào)速控制對于電機(jī)的溫度監(jiān)測和自動保護(hù)功能。
3.3 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的實際運(yùn)行效果分析
1）簡化了操作與觀察。通過對自來水加壓泵站進(jìn)行變頻技術(shù)改造之后，對于自來水加壓泵站運(yùn)行過程中的各種參數(shù)例如自來水加壓泵站電機(jī)的運(yùn)行頻率、變頻器輸入以及輸出端的電壓電流、自來水加壓泵站開環(huán)或者是閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)以及自來水加壓泵站管網(wǎng)水壓等一系列的參數(shù)，都可以通過數(shù)字化的顯示屏直觀的了解，方便了對于自來水加壓泵站供水系統(tǒng)運(yùn)行的觀察控制。
2）自來水加壓泵站水泵啟停的自動化控制。在進(jìn)行變頻技術(shù)改造中將開閥的最小水壓設(shè)定為0.48 MPa，這樣對于自來水加壓泵站水泵電機(jī)的開泵以及停泵控制，無需值班人員進(jìn)行人工的操作，不僅可以避免操作失誤問題的發(fā)生，同時由于變頻器的啟停較為平穩(wěn)，避免對于管網(wǎng)造成沖擊。
3）自來水加壓泵站供水全過程的恒壓控制。對于自來水加壓泵站的兩臺機(jī)組，控制模式為一組機(jī)組處于開環(huán)控制的模式，一組機(jī)組處于閉環(huán)控制的模式，因此即使用戶的用水量需求發(fā)生變化，只需要匹配機(jī)組變頻器的運(yùn)行頻率，仍然能夠確保水壓的持續(xù)穩(wěn)定。
4）明顯的節(jié)能效果，在通過對自來水加壓泵站水泵機(jī)組進(jìn)行變頻調(diào)速控制技術(shù)改造之后，用電量明顯下降，自來水加壓泵站工作成本顯著降低，在節(jié)能方面具有非常顯著的效果。
4、 結(jié)束語
變頻調(diào)速技術(shù)作為先進(jìn)的電子技術(shù)，不僅可以有效的降低自來水加壓泵站機(jī)組運(yùn)行的能耗，同時可以有效地減輕機(jī)組運(yùn)行中對于電機(jī)的機(jī)械沖擊，這對于延長自來水加壓泵站機(jī)組設(shè)備的使用壽命，確保供水設(shè)施的正常非常有益。因此，自來水加壓泵站機(jī)組管理部門應(yīng)該深入的了解變頻調(diào)速技術(shù)的工作原理以及變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用中需要注意的各項問題，并積極通過技術(shù)升級改造，實現(xiàn)變頻調(diào)速技術(shù)對于自來水加壓泵站運(yùn)行控制的最優(yōu)化，進(jìn)而實現(xiàn)自來水加壓泵站機(jī)組設(shè)備運(yùn)行的低能耗、高效率與智能化。
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