變頻調(diào)速在供水系統(tǒng)節(jié)能改造中的應(yīng)用gai

1、變頻調(diào)速在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用研究郁煒1汪家養(yǎng)2(1.衢州學(xué)院,浙江衢州3240002.浙江開(kāi)關(guān)廠(chǎng)有限公司,浙江衢州 324000 摘要:通過(guò)分析某大型化工企業(yè)原供水系統(tǒng)耗能情況,介紹了現(xiàn)在采用PLC和變頻調(diào)速技術(shù)的恒壓供水控制系統(tǒng),闡述了系統(tǒng)組成、系統(tǒng)功能、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及變頻調(diào)速節(jié)能原理和效果分析。該控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠,取得了很好的恒壓供水效果,節(jié)能效果顯著。關(guān)鍵詞:變頻調(diào)速PLC 恒壓供水節(jié)能Application of Frequency Conversion T echnique on Energy Saving Reformationof Water Supply SystemYU W

2、ei 1W ANG Jia-yang2(1.Quzhou College, Quzhou 324000,China2. Zhejiang Switchgear Factory Co., Ltd., Quzhou 324000, ChinaAbstract: Through analyzing the energy consumption disadvantages of original water supply systems of a large chemical plant, a kind of new constant pressure water supply system is i

3、ntroduced based on both PLC and frequency changer ,including the system structure, functions , system software design,and energy-saving principle and benefit .The control system has been applied successfully which can ensure the constant pressure of water-supply and the prominent effect of energy-sa

4、ving.Keywords: frequency control of motor speed PLC constant pressure water supply energy-saving0 引言某大型化工企業(yè)總用水量大,用水的高低峰不平衡程度嚴(yán)重,原有采用的水泵機(jī)組都是恒速運(yùn)行的,水泵的出水流量也是恒定的,而用水流量是隨工藝變化而變化的,為了保持蓄水池水位恒定在一定的液位,總出水管壓力恒定,必須靠調(diào)節(jié)出口閥門(mén)來(lái)控制流量,造成壓差大,泵體震動(dòng)大,而且大量的電能浪費(fèi)在閥門(mén)的阻力損失上,設(shè)備的保養(yǎng)維修費(fèi)用也很高1。PLC和變頻器的可靠性與靈活性已得到了用戶(hù)普遍的認(rèn)可,同時(shí)為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能降耗的號(hào)

5、召,公司進(jìn)行了基于PLC和變頻調(diào)速技術(shù)的恒壓供水系統(tǒng)的改造。全自動(dòng)變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)是在吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)研制的新型供水設(shè)備,它是采用工業(yè)微機(jī)PLC,變頻調(diào)速裝置等對(duì)水泵機(jī)組進(jìn)行閉環(huán)控制的機(jī)電一體化設(shè)備,該設(shè)備根據(jù)供水系統(tǒng)中流量、液位等參數(shù)的變化,通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)和變頻調(diào)速器自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速和參數(shù),始終保持高效節(jié)能的良好狀態(tài)。1系統(tǒng)組成恒壓供水控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。供水系統(tǒng)由3臺(tái)排江泵(75 kW、超音波液位計(jì)和變頻器組成,變頻器采用三菱變頻器(FR-F540,其功率為75kW;控制系統(tǒng)中的PLC采用三菱FX2N系列的FX2N 80MR及模擬量輸入卡FX2N4AD和輸入輸出通

6、訊模塊(用于系統(tǒng)中的通訊功能,本文中不做介紹,另外還配有彩顯觸摸屏。本系統(tǒng)選用PLC作為主控單元,接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào),并通過(guò)編程對(duì)變頻器及外部設(shè)備進(jìn)行控制。水泵組有自動(dòng)/手動(dòng)控制,在自動(dòng)方式下由水池的液面高度控制水泵的運(yùn)行。在手動(dòng)狀態(tài)下,由操作人員在主控室,通過(guò)觸摸屏進(jìn)行遠(yuǎn)程操控、運(yùn)行參數(shù)設(shè)定。各類(lèi)參數(shù)可在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示,以便于操作人員了解實(shí)際的運(yùn)行情況及操作。操作人員也可直接在現(xiàn)場(chǎng)的變頻器上進(jìn)行設(shè)置,操作及觀(guān)察設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。在觸摸屏上可顯示的參數(shù)有:蓄水池的液位,總出水管的壓力,電機(jī)的運(yùn)行頻率,各水泵的運(yùn)行情況等。水池液位的上限值、下限值和正常值等參數(shù)也可在觸摸屏上設(shè)定。超音波液位傳感器

7、把水池實(shí)際液位測(cè)出并轉(zhuǎn)換為420mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送進(jìn)PLC模擬量輸入模塊AI模塊, PLC通過(guò)采樣程序與設(shè)定值比較后,所得偏差經(jīng)PID程序處理,轉(zhuǎn)換為模擬量輸出信號(hào)送給變頻器,調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速,使水池液位回歸設(shè)定值,從而出水管壓力恒定,達(dá)到恒壓供水的目的。系統(tǒng)還可通過(guò)PLC的實(shí)時(shí)時(shí)鐘自動(dòng)定時(shí)供水,用戶(hù)在觸摸屏上設(shè)定每天定時(shí)供水時(shí)段,比如8001700等,以便大修等特殊情況下的靈活控制。系統(tǒng)還有故障自診斷功能, 、液面波動(dòng)判斷、各泵發(fā)生過(guò)載、缺相、短路、傳感器斷線(xiàn)、傳感器短路、水位超高、水位超低、變頻器故障等,都會(huì)有聲光報(bào)警,并同時(shí)停水泵,顯示故障類(lèi)型,通知設(shè)備維修人員處理。圖2是系統(tǒng)中電機(jī)工頻/變

8、頻切換控制主回路原理圖,其中M1、M2、M3分別是為三臺(tái)排江泵所配的三相交流異步電動(dòng)機(jī),功率均為75KW,接觸器KM1、KM2、KM3分別控制電機(jī)的工頻運(yùn)行,KM4、KM5、KM6分別控制電機(jī)的變頻運(yùn)行,KR1、KR2、KR3是對(duì)電機(jī)進(jìn)行過(guò)載保護(hù)的熱繼電器,QF1 、QF2、QF3、QF4分別是三個(gè)電機(jī)和變頻器的斷路器,實(shí)現(xiàn)電氣隔離和短路保護(hù)。 圖1 控制系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)圖 L1L2L3圖2 工頻/變頻控制電氣主回路原理圖2系統(tǒng)功能系統(tǒng)為生產(chǎn)生活、消防兩用供水設(shè)備。平時(shí)消防用水關(guān)閉,供水設(shè)備正常供給生產(chǎn)生活用水,當(dāng)自動(dòng)噴淋裝置或消防栓用水時(shí),水流指示器發(fā)出信號(hào),控制器檢測(cè)到該信號(hào)后,關(guān)閉生活用水電動(dòng)

9、閥門(mén),同時(shí)根據(jù)設(shè)定的消防用水液位值及流量要求啟動(dòng)數(shù)臺(tái)泵向消防用水管道供水。2.1 運(yùn)行準(zhǔn)備當(dāng)供電開(kāi)關(guān)合閘后,觸摸屏的電源指示燈亮,同時(shí)電壓表指示電壓值,并給液位傳感器供電,手動(dòng)/自動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)置于正確位置,為設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)做好準(zhǔn)備。當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)置于手動(dòng)位置時(shí),按觸摸屏上起動(dòng)按鈕,啟動(dòng)水泵在工頻狀態(tài)下運(yùn)行,完全脫開(kāi)PLC 及變頻器的控制,該功能主要用在檢修及自動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)的應(yīng)急供水方式中。自動(dòng)方式是主要工作方式。當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)置于自動(dòng)位置時(shí),按觸摸屏上起動(dòng)按鈕,延時(shí)幾秒,變頻器輸出逐漸上升的頻率和工作電壓供給1號(hào)泵,使1號(hào)泵轉(zhuǎn)速?gòu)?開(kāi)始逐漸上升,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)(見(jiàn)圖3,水池液位升高,從而使總供水管道

10、內(nèi)的水壓逐漸上升,繼續(xù)增加泵出水量,水池水位的大小由觸摸屏上液位儀顯示,當(dāng)液位上升到給定的液位時(shí),則電動(dòng)機(jī)即在此相應(yīng)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn),達(dá)到系統(tǒng)的平衡(即保持恒水位。(1上行過(guò)程當(dāng)出水管流量增大,上述電動(dòng)機(jī)不能保持給定的水池水位,而平衡被破壞,則產(chǎn)生偏差。這時(shí)自動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)(調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)出信號(hào),使變頻器的輸出頻率增加,則電機(jī)轉(zhuǎn)速相應(yīng)上升,泵出口流量也跟著上升以響應(yīng)系統(tǒng)給定的水位,而達(dá)到新的平衡。當(dāng)系統(tǒng)的流量進(jìn)一步增加,此時(shí)1號(hào)泵已到50Hz,仍不能達(dá)到給定液位時(shí),這時(shí)自動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)發(fā)出上限信號(hào),系統(tǒng)自動(dòng)使1號(hào)泵轉(zhuǎn)到工頻運(yùn)行,而2號(hào)泵在變頻器控制下軟啟動(dòng),作變頻調(diào)速運(yùn)行,使系統(tǒng)達(dá)到平衡,依次下去到3號(hào)

11、泵,即開(kāi)機(jī)順序?yàn)?1#2#3#。 Q圖3 三臺(tái)泵交替工作示意曲線(xiàn)(2下行過(guò)程當(dāng)系統(tǒng)流量減少時(shí),變頻運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)通過(guò)自動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)使其轉(zhuǎn)速下降,達(dá)到新的平衡,以保證恒壓。當(dāng)流量進(jìn)一步減少,變頻運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下降到極限仍不能保持給定壓力時(shí),自動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)通過(guò)微機(jī),能自動(dòng)停止一臺(tái)工頻運(yùn)行的電機(jī),這時(shí)變頻運(yùn)行的電機(jī)立即響應(yīng)到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速以保持壓力的恒定。并且能做到依次退出先啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的電機(jī),即停機(jī)順序?yàn)?1#2#3#,實(shí)現(xiàn)先入先出,后入后出。自動(dòng)運(yùn)行時(shí),全部泵的運(yùn)行依程序自動(dòng)工作,且水泵出口閥門(mén)與水泵可實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng),即先開(kāi)水泵開(kāi)閥門(mén)關(guān)水泵關(guān)閥門(mén)。同理,如先開(kāi)2#泵,則開(kāi)停機(jī)順序?yàn)?2#3#1#;

12、如先開(kāi)3#泵,則開(kāi)停機(jī)順序?yàn)?3#1#2#機(jī)。3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)PLC做為系統(tǒng)的控制核心,選用三菱FX2N80MR。系統(tǒng)控制程序采用模塊化結(jié)構(gòu),分別包括主程序和五個(gè)子程序,即:水泵電機(jī)控制程序,參數(shù)PID處理程序,電機(jī)、變頻器、閥等故障報(bào)警處理程序,液位超上下限報(bào)警處理程序,以及通訊、數(shù)據(jù)處理程序。其中主程序流程圖見(jiàn)圖5。開(kāi)始掃描電機(jī)、閥、傳感器、變頻器故障信號(hào)自動(dòng)方式?液位、壓力等參數(shù)初始化設(shè)定斷開(kāi)PLC 、變頻器有故障信號(hào)么?電機(jī)、變頻器、閥等故障報(bào)警處理程序液位超限?故障消除?參數(shù)PID 處理程序液位超上下限報(bào)警處理程序水泵電機(jī)控制程序液位正常?通訊、數(shù)據(jù)處理程序手工操作工頻運(yùn)行NNN N

13、N Y YY Y Y圖4 系統(tǒng)主程序流程圖4 節(jié)能效果分析由流體力學(xué)可知,系統(tǒng)供水時(shí),水泵的輸出功率P 與出水管的水壓H 及出水流量Q 乘積成正比;水泵的轉(zhuǎn)速n 與出水管流量Q 成正比;管內(nèi)水壓H 與出水流量Q 的平方成正比,由上述關(guān)系可知,水泵的輸出功率P 與轉(zhuǎn)速n 的三次方成正比,即:32321kn P Qk H Qk n HQk P = (1-1式(1-1中的1k 、2k 、3k 、k 為比例系數(shù)。式(1-2是交流感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式,由公式可知當(dāng)轉(zhuǎn)差率s 和電機(jī)極對(duì)數(shù)p 為定值時(shí),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n 和定子電源頻率f 成正比關(guān)系。 水泵的功率是按最大負(fù)荷量設(shè)定的,而最大流量的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間都

14、較短,其流量隨用水情況變化而變化,所以當(dāng)系統(tǒng)出水流量在小于最大流量的范圍內(nèi)變化時(shí),通過(guò)變頻調(diào)速裝置將供水水泵轉(zhuǎn)速降低,則水泵的輸出功率將隨之減小,達(dá)到節(jié)能的作用。其節(jié)能原理如圖4。其中曲線(xiàn)1、2、3是出水管壓力特性曲線(xiàn),n 1、n 2是水泵的運(yùn)行特性曲線(xiàn)。如水泵原來(lái)工作在 A 點(diǎn),此時(shí)出水流量為 Q1,管壓力為 H1, 轉(zhuǎn)速為 n1 ,當(dāng)外界用水情況變化,出水流量降為 Q2 , 如水泵轉(zhuǎn)速仍為 n1 ,則出水管壓力特性曲線(xiàn)為 1,水泵工作于 B 點(diǎn),管壓力增大到 H2。如采用 變頻調(diào)速恒壓供水的方式，將水泵的轉(zhuǎn)速降到 Q2 和 H1 的交點(diǎn) D 所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速 n2，則既維 持了出水流量為 Q2

15、，又使管壓減小到 H1。將二者進(jìn)行比較可知，在相同出水流量需求下， 變頻調(diào)速恒壓供水方式下水泵消耗的輸出功率少于恒轉(zhuǎn)速節(jié)流供水方式， 節(jié)約的能量是二者 所圍面積之差，即 H1 H2BD 矩形面積代表的能量。假如 Q2 是 Q1 的 70%，則由式（1-1） 可知，采用變頻調(diào)速恒壓供水可使水泵輸出功率降至 P1 的 34.3%，即節(jié)省了 66.7%的能量， 效果十分顯著，所以此次供水系統(tǒng)的變頻改造投入的成本半年內(nèi)就已全部收回了。 圖5 變頻調(diào)速的節(jié)能原理圖 另外，系統(tǒng)因?qū)崿F(xiàn)了恒壓自動(dòng)控制不需要操作人員頻繁操作,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,節(jié)省了人 力，而且系統(tǒng)安全運(yùn)行可靠性大大提高；而且當(dāng)出口流量小于額定流量時(shí)，泵工作在變頻工 況,泵轉(zhuǎn)速降低,減少了軸承的磨損和發(fā)熱,延長(zhǎng)泵和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命， 節(jié)省了設(shè)備的維 護(hù)費(fèi)用。 結(jié)語(yǔ) 該文介紹的基于 PLC 和變頻器的恒壓供水控制系統(tǒng)已成功用于某化工廠(chǎng)的生產(chǎn)供水及 其周邊居民的生活供水。該控制系統(tǒng)具有節(jié)能顯著、性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，已為該廠(chǎng) 取得了可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。 5 參考文獻(xiàn) 1 雷宏彬，曹曉娟.基于 PLC 的變頻器的恒壓供水控制系統(tǒng)J.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝 置.200