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轉(zhuǎn)階段的能耗，實現(xiàn)自來水加壓泵站運轉(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，因此導致自來水加壓泵站在運轉(zhuǎn)過程中會消耗大量的電能。對自來水加壓泵站水泵機組進行調(diào)速運轉(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。當前，對于自來水加壓泵站機組調(diào)速運行最為先進、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組的轉(zhuǎn)速，進而實現(xiàn)自來水加壓泵站機組的經(jīng)濟運行。因此，變頻調(diào)速技術(shù)不僅可以降低自來水加壓泵站機組設(shè)備運行的能耗，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行改變，實現(xiàn)對自來水加壓泵站機組水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進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，達到改變自來水加壓泵站水泵電機轉(zhuǎn)速以及供水量的目的，進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)運轉(zhuǎn)的精準控制。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，通過計算機對這些變化進行自動的檢測，并按照檢測信息調(diào)整自來水加壓泵站水泵機組的工作狀況，進而確保自來水加壓泵站水泵處于高效的運行狀態(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)速的控制精準度非常高。
2）變頻調(diào)速控制系統(tǒng)有助于保護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，同時水泵電機的供電容量也得以降低。因此，這就可以有效的避免水泵機組啟動以及運轉(zhuǎn)過程中的機械沖擊以及運行磨損，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組設(shè)備運行的能耗。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行的經(jīng)濟效益。
4）變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的適用性較強。針對當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。
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，主要負責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。電機水泵機組則是自來水加壓泵站傳送水的機電裝置，通過電機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)整工頻運行或者是變頻狀態(tài)運行。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，進而起到控制自來水加壓泵站電機水泵機組轉(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組的工作狀態(tài)進行調(diào)整，對自來水加壓泵站水泵機組的工作的工頻或者是變頻狀態(tài)進行切換。
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行方式進行變頻調(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組中的部分水泵一直處于變頻運轉(zhuǎn)方式，另外一部分水泵機組則處于停機狀態(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由變頻運行方式切換為全部工頻運行方式，確保供水量的充足。系統(tǒng)控制的基本原理為：當L≤Le時，自來水加壓泵站多機組種部分機組停機，部分機組變頻運行；當L≥Le時，自來水加壓泵站多機組處于工頻運行與變頻運行兩種狀態(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。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。單片機的特點是可靠性較好，控制功能豐富，邏輯功能以及運行速度較高，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起停以及電機轉(zhuǎn)速控制的信號。對于自來水加壓泵站水泵電機轉(zhuǎn)速的控制主要是將運算處理的數(shù)字信號通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為變頻器的給定頻率進行調(diào)節(jié)。對于自來水加壓泵站水泵電機的起停，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電設(shè)備的變頻改造，其中主泵房的水泵電機功率為560 kW，分別由兩臺6 kV/560 kW變頻器進行控制。對水泵自來水加壓泵站進行變頻技術(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轉(zhuǎn)速進行調(diào)整以便于達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。
機組：
1）水泵：四臺，型號：24SH-13、額定流量：3168 m3/h、額定揚程：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：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。
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組既可變頻調(diào)速運行，也可以直接投入工頻運行。其次，另外設(shè)置系統(tǒng)運轉(zhuǎn)保護，當變頻調(diào)速控制系統(tǒng)局部單元故障時，不停機繼續(xù)運行，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轉(zhuǎn)過程中，由于操作的原因或者是機械電器的原因，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，進而采取措施進行處理。
4）水泵電機溫度的報警。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、電機冷風機啟動以及電機冷風機關(guān)閉的臨界溫度值，可以實現(xiàn)變頻調(diào)速控制對于電機的溫度監(jiān)測和自動保護功能。
3.3 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的實際運行效果分析
1）簡化了操作與觀察。通過對自來水加壓泵站進行變頻技術(shù)改造之后，對于自來水加壓泵站運行過程中的各種參數(shù)例如自來水加壓泵站電機的運行頻率、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的開泵以及停泵控制，無需值班人員進行人工的操作，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組，控制模式為一組機組處于開環(huán)控制的模式，一組機組處于閉環(huán)控制的模式，因此即使用戶的用水量需求發(fā)生變化，只需要匹配機組變頻器的運行頻率，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組進行變頻調(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)作為先進的電子技術(shù)，不僅可以有效的降低自來水加壓泵站機組運行的能耗，同時可以有效地減輕機組運行中對于電機的機械沖擊，這對于延長自來水加壓泵站機組設(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行控制的最優(yōu)化，進而實現(xiàn)自來水加壓泵站機組設(shè)備運行的低能耗、高效率與智能化。
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