變頻調速在供水系統節(jié)能改造中的應用gai

1、變頻調速在供水系統中的應用研究郁煒1汪家養(yǎng)2(1.衢州學院,浙江衢州3240002.浙江開關廠有限公司,浙江衢州 324000 摘要:通過分析某大型化工企業(yè)原供水系統耗能情況,介紹了現在采用PLC和變頻調速技術的恒壓供水控制系統,闡述了系統組成、系統功能、系統軟件設計及變頻調速節(jié)能原理和效果分析。該控制系統性能穩(wěn)定可靠,取得了很好的恒壓供水效果,節(jié)能效果顯著。關鍵詞:變頻調速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重,原有采用的水泵機組都是恒速運行的,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,必須靠調節(jié)出口閥門來控制流量,造成壓差大,泵體震動大,而且大量的電能浪費在閥門的阻力損失上,設備的保養(yǎng)維修費用也很高1。PLC和變頻器的可靠性與靈活性已得到了用戶普遍的認可,同時為響應國家節(jié)能降耗的號

5、召,公司進行了基于PLC和變頻調速技術的恒壓供水系統的改造。全自動變頻調速恒水位供水系統是在吸收國內外先進技術基礎上開發(fā)研制的新型供水設備,它是采用工業(yè)微機PLC,變頻調速裝置等對水泵機組進行閉環(huán)控制的機電一體化設備,該設備根據供水系統中流量、液位等參數的變化,通過自動控制系統和變頻調速器自動調節(jié)水泵的轉速和參數,始終保持高效節(jié)能的良好狀態(tài)。1系統組成恒壓供水控制系統構成如圖1所示。供水系統由3臺排江泵(75 kW、超音波液位計和變頻器組成,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。本系統選用PLC作為主控單元,接收來自現場的信號,并通過編程對變頻器及外部設備進行控制。水泵組有自動/手動控制,在自動方式下由水池的液面高度控制水泵的運行。在手動狀態(tài)下,由操作人員在主控室,通過觸摸屏進行遠程操控、運行參數設定。各類參數可在觸摸屏上實時顯示,以便于操作人員了解實際的運行情況及操作。操作人員也可直接在現場的變頻器上進行設置,操作及觀察設備的運行狀態(tài)。在觸摸屏上可顯示的參數有:蓄水池的液位,總出水管的壓力,電機的運行頻率,各水泵的運行情況等。水池液位的上限值、下限值和正常值等參數也可在觸摸屏上設定。超音波液位傳感器

7、把水池實際液位測出并轉換為420mA標準信號送進PLC模擬量輸入模塊AI模塊, PLC通過采樣程序與設定值比較后,所得偏差經PID程序處理,轉換為模擬量輸出信號送給變頻器,調節(jié)水泵電機轉速,使水池液位回歸設定值,從而出水管壓力恒定,達到恒壓供水的目的。系統還可通過PLC的實時時鐘自動定時供水,用戶在觸摸屏上設定每天定時供水時段,比如8001700等,以便大修等特殊情況下的靈活控制。系統還有故障自診斷功能, 、液面波動判斷、各泵發(fā)生過載、缺相、短路、傳感器斷線、傳感器短路、水位超高、水位超低、變頻器故障等,都會有聲光報警,并同時停水泵,顯示故障類型,通知設備維修人員處理。圖2是系統中電機工頻/變

8、頻切換控制主回路原理圖,其中M1、M2、M3分別是為三臺排江泵所配的三相交流異步電動機,功率均為75KW,接觸器KM1、KM2、KM3分別控制電機的工頻運行,KM4、KM5、KM6分別控制電機的變頻運行,KR1、KR2、KR3是對電機進行過載保護的熱繼電器,QF1 、QF2、QF3、QF4分別是三個電機和變頻器的斷路器,實現電氣隔離和短路保護。 圖1 控制系統構成簡圖 L1L2L3圖2 工頻/變頻控制電氣主回路原理圖2系統功能系統為生產生活、消防兩用供水設備。平時消防用水關閉,供水設備正常供給生產生活用水,當自動噴淋裝置或消防栓用水時,水流指示器發(fā)出信號,控制器檢測到該信號后,關閉生活用水電動

9、閥門,同時根據設定的消防用水液位值及流量要求啟動數臺泵向消防用水管道供水。2.1 運行準備當供電開關合閘后,觸摸屏的電源指示燈亮,同時電壓表指示電壓值,并給液位傳感器供電,手動/自動選擇開關置于正確位置,為設備的運轉做好準備。當選擇開關置于手動位置時,按觸摸屏上起動按鈕,啟動水泵在工頻狀態(tài)下運行,完全脫開PLC 及變頻器的控制,該功能主要用在檢修及自動系統出現故障時的應急供水方式中。自動方式是主要工作方式。當選擇開關置于自動位置時,按觸摸屏上起動按鈕,延時幾秒,變頻器輸出逐漸上升的頻率和工作電壓供給1號泵,使1號泵轉速從0開始逐漸上升,實現電動機的軟啟動(見圖3,水池液位升高,從而使總供水管道

10、內的水壓逐漸上升,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,當液位上升到給定的液位時,則電動機即在此相應的轉速穩(wěn)定旋轉,達到系統的平衡(即保持恒水位。(1上行過程當出水管流量增大,上述電動機不能保持給定的水池水位,而平衡被破壞,則產生偏差。這時自動閉環(huán)控制系統(調節(jié)系統發(fā)出信號,使變頻器的輸出頻率增加,則電機轉速相應上升,泵出口流量也跟著上升以響應系統給定的水位,而達到新的平衡。當系統的流量進一步增加,此時1號泵已到50Hz,仍不能達到給定液位時,這時自動閉環(huán)系統發(fā)出上限信號,系統自動使1號泵轉到工頻運行,而2號泵在變頻器控制下軟啟動,作變頻調速運行,使系統達到平衡,依次下去到3號

11、泵,即開機順序為:1#2#3#。 Q圖3 三臺泵交替工作示意曲線(2下行過程當系統流量減少時,變頻運行的電動機通過自動閉環(huán)控制系統使其轉速下降,達到新的平衡,以保證恒壓。當流量進一步減少,變頻運行的電動機的轉速下降到極限仍不能保持給定壓力時,自動閉環(huán)控制系統通過微機,能自動停止一臺工頻運行的電機,這時變頻運行的電機立即響應到相應的轉速以保持壓力的恒定。并且能做到依次退出先啟動運行時間長的電機,即停機順序為:1#2#3#,實現先入先出,后入后出。自動運行時,全部泵的運行依程序自動工作,且水泵出口閥門與水泵可實現聯動,即先開水泵開閥門關水泵關閥門。同理,如先開2#泵,則開停機順序為:2#3#1#;

12、如先開3#泵,則開停機順序為:3#1#2#機。3系統軟件設計PLC做為系統的控制核心,選用三菱FX2N80MR。系統控制程序采用模塊化結構,分別包括主程序和五個子程序,即:水泵電機控制程序,參數PID處理程序,電機、變頻器、閥等故障報警處理程序,液位超上下限報警處理程序,以及通訊、數據處理程序。其中主程序流程圖見圖5。開始掃描電機、閥、傳感器、變頻器故障信號自動方式?液位、壓力等參數初始化設定斷開PLC 、變頻器有故障信號么?電機、變頻器、閥等故障報警處理程序液位超限?故障消除?參數PID 處理程序液位超上下限報警處理程序水泵電機控制程序液位正常?通訊、數據處理程序手工操作工頻運行NNN N

13、N Y YY Y Y圖4 系統主程序流程圖4 節(jié)能效果分析由流體力學可知,系統供水時,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;水泵的轉速n 與出水管流量Q 成正比;管內水壓H 與出水流量Q 的平方成正比,由上述關系可知,水泵的輸出功率P 與轉速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。式(1-2是交流感應式電動機的轉速公式,由公式可知當轉差率s 和電機極對數p 為定值時,電動機轉速n 和定子電源頻率f 成正比關系。 水泵的功率是按最大負荷量設定的,而最大流量的實際運行時間都

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

15、，又使管壓減小到 H1。將二者進行比較可知，在相同出水流量需求下， 變頻調速恒壓供水方式下水泵消耗的輸出功率少于恒轉速節(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，所以此次供水系統的變頻改造投入的成本半年內就已全部收回了。 圖5 變頻調速的節(jié)能原理圖 另外，系統因實現了恒壓自動控制不需要操作人員頻繁操作,降低了勞動強度,節(jié)省了人 力，而且系統安全運行可靠性大大提高；而且當出口流量小于額定流量時，泵工作在變頻工 況,泵轉速降低,減少了軸承的磨損和發(fā)熱,延長泵和電動機的機械使用壽命， 節(jié)省了設備的維 護費用。 結語 該文介紹的基于 PLC 和變頻器的恒壓供水控制系統已成功用于某化工廠的生產供水及 其周邊居民的生活供水。該控制系統具有節(jié)能顯著、性能穩(wěn)定、運行可靠等特點，已為該廠 取得了可觀的經濟效益。 5 參考文獻 1 雷宏彬，曹曉娟.基于 PLC 的變頻器的恒壓供水控制系統J.工業(yè)儀表與自動化裝 置.200