工業(yè)循環(huán)水的變頻控制系統(tǒng)研究

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)的控制系統(tǒng)正朝著高標(biāo)準(zhǔn)，高質(zhì)量和低能耗的方向發(fā)展。在工業(yè)循環(huán)水的原有控制系統(tǒng)中，采用自耦降壓器啟動(dòng)，電磁閥調(diào)整出口壓力的方法已不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的要求。由于生產(chǎn)用水是波動(dòng)的、變化的、實(shí)時(shí)性的，原有的控制系統(tǒng)難以滿足變化要求，而且給操作人員帶來(lái)了極大的工作量。隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)的日臻完善，以可編程控制器為核心的變頻調(diào)速系統(tǒng)較好的改善原有的控制系統(tǒng)。

1原控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

根據(jù)管網(wǎng)水壓的不同，分為高壓用水和低壓用水。高壓水泵三3臺(tái)，單機(jī)驅(qū)動(dòng)離心泵的異步電動(dòng)機(jī)功率為75kW；低壓水泵共6臺(tái)，單機(jī)功率為155kW。

控制方法中間水池收集回水并由液位計(jì)檢測(cè)當(dāng)前的液位，管網(wǎng)出口處安裝有壓力表與流量計(jì)，用來(lái)監(jiān)測(cè)出口壓力和水流量。值班人員根據(jù)生產(chǎn)用水要求，開(kāi)啟第一臺(tái)水泵，逐漸開(kāi)啟出水口電磁閥，直至達(dá)到滿開(kāi)度。如果仍然達(dá)不到出口壓力要求，再用同樣的方法啟動(dòng)第二臺(tái)，直至達(dá)到設(shè)定壓力，最后一臺(tái)的電磁閥就固定在此開(kāi)度。

電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)采用的是自耦降壓方式。

2兩種控制方式比較

采用變頻調(diào)速系統(tǒng)來(lái)控制管網(wǎng)的出口壓力，其工作狀況必然與水泵和管道特性有關(guān)，而水泵的工作狀況主要是通過(guò)轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程和效率來(lái)表示。

2.1水泵系統(tǒng)的阻力特性

2.1.1管路的阻力特性裝置的揚(yáng)程Hc與管路的流量Q的關(guān)系Hc=f(Q)，稱為管路的阻力特性，其表達(dá)式為:Hc=Hz+(P2-P1)/r +kQ2

式中，Hc為裝置揚(yáng)程；Hz為泵水水位高度；P1為水池的吸入壓力；P2為水池的出口壓力；r為阻力系數(shù)，K為常數(shù)。

如圖1曲線所示。如果關(guān)小管路內(nèi)的閥門，增大了管路的阻力，則阻力特性曲線將變?yōu)槿鐖D2所示。

2.1.2泵的揚(yáng)程特性在泵的軸功率一定的前提下，揚(yáng)程H與流量Q之間的關(guān)系H=f(Q)，稱為揚(yáng)程特性。

2.1.3供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)與功率供水系統(tǒng)的工作過(guò)程是水泵克服管路阻力而供水的過(guò)程。如圖3所示：

曲線1是管路的阻力特性；曲線2是泵的揚(yáng)程特性。那么，兩者的交點(diǎn)A就是供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)。泵的軸功率P為：

P=ρQH/ηcηp×10-3(KW)

式中，ρ為液體的密度（Kg/m3）;Q為流量（m3/s）；H為全揚(yáng)程；ηc 傳動(dòng)裝置的效率；ηp 為泵的效率。可見(jiàn)，軸功率與揚(yáng)程H和流量Q的乘積成正比。

2.2兩種控制管網(wǎng)壓力的方法與比較由于泵的出口壓力與揚(yáng)程呈線性關(guān)系，因此討論流量與管網(wǎng)壓力時(shí)用揚(yáng)程H代替。

2.2.1調(diào)節(jié)流量的方法如圖3所示：曲線1是閥門全部打開(kāi)時(shí)供水系統(tǒng)的阻力特性；曲線2是額定轉(zhuǎn)速時(shí)泵的揚(yáng)程特性。這時(shí)，供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)為A點(diǎn)；揚(yáng)程為HA；流量為QA；電動(dòng)機(jī)的軸功率與面積OQAAHA成正比。今欲將揚(yáng)程H減為HB，主要的調(diào)節(jié)方法有兩種：①轉(zhuǎn)速不變，將閥門關(guān)小這時(shí)，阻力特性曲線如3所示，工作點(diǎn)移至B點(diǎn)；流量為QB，揚(yáng)程為HB，電動(dòng)機(jī)的軸功率與面積OHBBQB成正比。②閥門的開(kāi)度不變，降低轉(zhuǎn)速這時(shí)，揚(yáng)程特性曲線如圖1－5所示，工作點(diǎn)移至C點(diǎn)；揚(yáng)程為HB，但流量為QC，電動(dòng)機(jī)的軸功率與面積OHBCQC成正比。

2.2.2對(duì)比對(duì)比以上方法，可以十分明顯地看出，采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速額的方法來(lái)調(diào)節(jié)流量，電動(dòng)機(jī)所取用的功率將大為減少，因而是一種顯著節(jié)約能源的好辦法。

3變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖4。

系統(tǒng)有三大部分組成。第一是控制部分，以PLC為核心，以壓力、流量、液位等檢測(cè)端為外設(shè)，負(fù)責(zé)信號(hào)的采集處理計(jì)算與指令信號(hào)。第二部分是驅(qū)動(dòng)部分，以變頻器和異步電動(dòng)機(jī)為主要驅(qū)動(dòng)設(shè)備。第三部分是供配電設(shè)備。如圖所示，水泵電機(jī)是執(zhí)行環(huán)節(jié)，輸出環(huán)節(jié)，由變頻器控制，實(shí)現(xiàn)變流量恒壓控制的變頻器接受PLC(可編程邏輯控制器)的信號(hào)對(duì)水泵進(jìn)行速度控制。PLC綜合給定信號(hào)與反饋信號(hào)后，經(jīng)過(guò)計(jì)算處理，向變頻器輸出頻率指令，壓力傳感器監(jiān)測(cè)到管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)化為可以接受的信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.2工作方式以PLC控制變頻調(diào)速系統(tǒng)是一種十分靈活的控制系統(tǒng)，尤其是在多泵控制系統(tǒng)中應(yīng)用的相當(dāng)靈活。以低壓泵為例：在顯示終端上預(yù)先設(shè)定管網(wǎng)出口壓力P1和流量Q1。在1#變頻柜和2#電氣控制柜上電，做好開(kāi)車準(zhǔn)備。關(guān)閉進(jìn)水閥，出水閥開(kāi)至最大，用變頻器驅(qū)動(dòng)1#泵，啟動(dòng)時(shí)間結(jié)束后，將進(jìn)水閥門完全打開(kāi)。泵轉(zhuǎn)速升至最大，穩(wěn)定一段時(shí)間，若P1仍未滿足要求，自動(dòng)將1#泵切換為工頻運(yùn)行，變頻器驅(qū)動(dòng)2#泵啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行轉(zhuǎn)速升至最大值，如果管網(wǎng)出口壓力仍未達(dá)到設(shè)定值，則將2#泵切換為工頻運(yùn)行，接觸器繼電器控制，變頻器又驅(qū)動(dòng)3#泵，直至在轉(zhuǎn)速升到最大之前滿足管網(wǎng)壓力的設(shè)定值。PLC控制變頻器的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)速設(shè)定，切換至工頻單元，同時(shí)還監(jiān)測(cè)管網(wǎng)出口壓力和出口流量，監(jiān)測(cè)中間水池的液位及發(fā)出報(bào)警信號(hào)。當(dāng)PLC或變頻器柜故障時(shí)，可以使用電氣控制柜進(jìn)行水泵的起停控制，出口閥門的調(diào)節(jié)來(lái)控制管網(wǎng)出口壓力。反之，當(dāng)用水量或出口壓力減少時(shí)，則先從1#泵，然后是2#泵依次推出泵的工作，完成一次加減泵的循環(huán)。

3.3功能特點(diǎn)

3.3.1使用簡(jiǎn)便，設(shè)定精確，人機(jī)界面友好由于采用以PLC為核心的控制系統(tǒng)，管網(wǎng)壓力與流量采用數(shù)字設(shè)定，精確至10－3級(jí)，出口壓力及水位報(bào)警準(zhǔn)確及時(shí)，便于值班人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)與處理。

3.3.2循環(huán)軟啟動(dòng)循環(huán)軟啟動(dòng)采用自動(dòng)補(bǔ)償切換技術(shù)，系統(tǒng)電氣元件及機(jī)電連接部件受沖擊力小，能顯著延長(zhǎng)電控元件及水泵等元件的壽命，同時(shí)將切換時(shí)的壓力波動(dòng)控制的更小。

3.3.3定時(shí)換泵功能換泵周期可根據(jù)用戶要求任意設(shè)定。對(duì)于多泵系統(tǒng)，為使各泵平均工作時(shí)間相同，需設(shè)置定時(shí)換泵功能。當(dāng)變量泵連續(xù)工作時(shí)間達(dá)到設(shè)定值且有泵處于休息狀態(tài)時(shí)，則變頻器自動(dòng)切換，啟動(dòng)“休息”時(shí)間最長(zhǎng)的變量泵并停止原變量泵。

3.3.4消除水錘效應(yīng)由于能對(duì)水泵實(shí)現(xiàn)軟停和軟起，消除了原直接啟動(dòng)和停止時(shí)，液體動(dòng)能的急劇變化，導(dǎo)致對(duì)管網(wǎng)的極大沖擊力和破壞力。

4經(jīng)濟(jì)分析

4.1能耗分析夏秋季節(jié)時(shí)，低壓泵工作2～3臺(tái)，高壓泵工作1～2臺(tái)。在冬春季節(jié)，低壓泵工作1～2臺(tái)，高壓泵工作1臺(tái)。

我們知道，軸功率Ps與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，即

Ps ∞n3當(dāng)需要調(diào)節(jié)水壓而降低轉(zhuǎn)速時(shí)，其軸功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降。如轉(zhuǎn)速下降20％，則軸功率的輸出下降為額定功率的51.2％，可見(jiàn)這種節(jié)電效果是非常明顯的。

4.2直接效益以轉(zhuǎn)速下將20％為例，高壓泵全年節(jié)約電能為：E1=365×24×75×(1-0.83)=320，616(kW#8226;h)；而低壓泵的全年節(jié)能為：E2=365×24×155×(1-0.83)=662，606(kW#8226;h)；以工業(yè)用電每度0.6元/KW.h的市場(chǎng)價(jià)格計(jì)算，全年可節(jié)約費(fèi)用：F=(E1+E2)×0.6=205，194 (元)

4.3間接效益①由于電動(dòng)機(jī)實(shí)施軟啟動(dòng)和平穩(wěn)調(diào)速，而不是由接觸器、繼電器進(jìn)行控制，避免了頻繁啟動(dòng)，故整個(gè)系統(tǒng)的壽命將大大延長(zhǎng)。②由于具有水泵輪換周期工作制，電機(jī)及減速箱等磨損基本一致，便于設(shè)備的周期維護(hù)和提高設(shè)備的平均壽命。③減少維護(hù)人員的工作量，并且恒壓供水的質(zhì)量大大提高。④變頻器保護(hù)功能強(qiáng)大，降低了電機(jī)因過(guò)載、缺相運(yùn)行等燒毀電機(jī)的現(xiàn)象。⑤實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，避免了使用自耦降壓?jiǎn)?dòng)對(duì)周邊設(shè)備及電網(wǎng)的影響。

5結(jié)束語(yǔ)

以PLC為核心的變頻調(diào)速系統(tǒng)在我公司的一期工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)中，業(yè)已投入使用。期間，系統(tǒng)經(jīng)歷了瞬間停電，緊急切換等情況，都能順利恢復(fù)正常。而且系統(tǒng)的節(jié)能效果已經(jīng)體現(xiàn)。如果將報(bào)警系統(tǒng)移至相鄰的值班點(diǎn)，可以嘗試建立無(wú)人值班區(qū)，更能大大節(jié)約人力成本。