變頻調速設備在石油化工企業供水系統中的應用

王煜

【摘 要】隨著經濟快速發展，工業生產規模不斷擴大，對供水質量和供水系統的可靠性要求也越來越高。變頻調速設備在供水系統中應用廣泛、節能、調速優勢明顯。本文主要介紹變頻調速恒壓供水系統的基本原理及應用實例。

【關鍵詞】供水系統；工作原理，變頻調速；應用

隨著經濟迅速發展，工業企業對供水質量和供水系統可靠性的要求不斷提高；加之能源緊缺等因素，采用自動控制及通訊技術、節能、適應性強的恒壓供水系統發展迅速，在企業的供水系統中得到了廣泛應用。

1 變頻恒壓供水系統的研究現狀

隨著工業自動控制技術、電力電子技術的發展，變頻調速產業以及變頻恒壓供水系統都得到發展。變頻恒壓供水系統的穩定性、可靠性以及自動化程度都得到很大程度的提高。國內外都非常重視變頻器及其相關附屬產業的研究。現在變頻器大都實現了PID調節器等硬件集成，功能模塊通過設置指令代碼，搭載相應的恒壓供水單元，系統控制內部接觸器實現控制功能。從現有資料來看，目前國內外對變頻調速恒壓供水系統的研究中有關水壓的閉環控制研究不夠充分，有關變頻調速恒壓供水系統的抗干擾、穩定性等方面還有待進一步研究和探索。

2 系統的工作原理、優點及主要功能

2.1 變頻調速設備的工作原理

變頻恒壓供水系統主要由電動機、水泵、輸水管路、閥門等部分組成。閥門開度不變是供水系統工作點揚程特性H=f（Qn）前提。流量Q與揚程H間為反比關系。管阻特性是指水泵轉速恒定為前提，在閥門開度一定情況下，揚程H與流量Q之間的關系H=f（QG）。揚程曲線和管阻曲線交匯點為供水系統工作點，即圖中A點，該點用水流量Qu和系統供水流量QG相等，系統穩定。

圖1

供水系統變頻調速控制的實質是交流異步電動機的變頻調速。交流異步電動機的變頻調速是通過改變施加在電動機定子繞組上的電源頻率進而改變電動機的同步轉速，最終實現調整電動機運行轉速的目的。

交流異步電機的轉差率定義為[1]：

s=

交流異步電動機同步轉速定義為：

n =

交流異步電動機轉速計算公式為：

n= （1-s）

n1：交流異步電動機空載轉速；n：交流異步電動機轉子轉速；f：交流異步電動機電源頻率；p：交流異步電動機磁極對數。

供水流量控制方法有出口閥門開度控制、原動機轉速控制兩種。前者通過調節出口閥門的開度調節，電動機的轉速保持不變，其控制方式的實質是調整供水管路的阻力進而調整流量。原動機轉速控制是改變電動機的轉速達到調節供水流量的目的，系統管阻特性是固定的，而揚程特性隨著水泵轉速的變化而變化。根據用水量的變化，改變水泵電機的轉速，使得供水管網的壓力保持恒定，根據用戶需要調整水的動能，而不用將大量的供水能量消耗在閥門及管網的損耗上面。

圖2

由圖2可知：當采用出口閥門控制供水流量時，若供水量高峰期水泵工作在圖上的X點，對應流量為Q1，揚程為H0，當供水量從Q1減小到Q2時，關小出口閥門，則閥門的阻力變大，管阻曲線從β3上移到β1，而揚程特性曲線不變。而揚程則從H0上升到H1，機泵運行點從X點移至Y點，此刻，電動機輸出功率用圖形表示為（0，Q2，Y，H1）所包圍而成的矩形部分，其數值為：

PY=

當采用調速控制供水流量時，管阻特性曲線為β2，揚程特性變為曲線n2，機泵組工作點從X點移到J點。此時電動機輸出功率用圖形表示為（O，Q2，J，H0）所包圍成的矩形面積，其數值為：

PJ=

當采用調速控制供水流量時，所節省的能量為坐標（H0，J，Y，H1）所圍成的矩形面積，其數值為：

DP=Py-pj= - =

所以，采用出口閥門控制供水系統流量時部分能量被浪費，隨著閥門開度變小，供水管網的阻力增大，管阻特性曲線上移，系統運行點上移，供水揚程H1增大，被浪費的能量隨之增加。調速前后流量Q、揚程H、功率P與轉速N之間關系為：

= ； =（ ） ； =（ ）

2.2 變頻調速系統的優點

變頻調速恒壓供水系統優點有：首先，提高供水質量，滿足工業生產精細化管理要求。傳統恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水等方式普遍存在能量轉換效率低下、浪費水、電資源、系統控制自動化程度不高等缺點，變頻調速恒壓供水系統可有效控制供水壓力的大小，實現精細化的供水管理；其次，變頻調速恒壓供水系統節約能源。恒壓供水系統不僅避免了水資源浪費，而且還避免了供水過程中的電能的浪費；再次，變頻調速恒壓供水系統具有電動機軟啟動功能。電動機起動電流由零逐步升高至額定值，避免對電網產生沖擊；最后，變頻調速恒壓供水系統還可以有效地消除供水管網水錘效應，水錘效應是供水系統中由供水壓力突變化造成的，對供水管網及附件造成損傷，而變頻調速恒壓供水系統可以有效地消除這種效應 [2]。（下轉第12頁）

（上接第7頁）2.3 變頻調速供水系統的閉環控制功能

管網出口供水壓力恒定是系統的控制目標：首先供水系統實現自動調節的功能。接通電源后，變頻器輸出的頻率從0Hz逐漸上升，PID調節器隨即接收來自出口壓力表的反饋信號，經內部自動運算后與所給定的壓力參數進行對比，自動調整電動機轉速。若系統突然斷電，系統則停機，而當電源恢復后就重新開始運行；其次系統具有恒壓控制功能。根據用水量需求情況，變頻調速恒壓供水系統可以對電動機轉速進行即時控制，保證恒壓供水；再次系統具有系統保護功能。這個系統可以對工頻電源和變頻電源在供電控制回路上實現機械和電氣互鎖，這樣可以保護電路，從而保護整個供水系統。

圖3

3 變頻調速恒壓供水系統在石油化工企業用水環境中的應用

本用戶用水量情況如下：

（1）系統必保最低安全用水量：為保證消防用水需要，該流量保證必須可靠，即使在日常生產中不消耗，也必須實時保持供應，該流量為280噸/小時；

（2）系統滿負荷生產用水量：當企業滿負荷生產時每小時消耗的水量。該流量為680噸/小時～700噸/小時左右；

（3）系統超負荷生產用水量：極端情況下，系統最大用水量1000噸/小時。

針對企業用水需求情況并兼顧系統保安供水需求，兩臺工頻電機采用互投備用方式；兩臺變頻電機采用恒壓調整方式。采用PLC控制器實現工頻電機的互投切換及變頻電機的自動投、切及調速。全系統由：執行設備、控制設備、信號檢測設備組成。

工程中應注意，優化閉環控制系統PID參數值，使得系統調節兼顧穩定性、靈敏性；充分運用變頻器的電動機的軟啟動功能，減少電流突變對電動機本體和電網的沖擊，竭力消除供水管網水錘效應；鑒于變頻器是電網系統中不可忽視的諧波源，在全系統軟、硬件設計、施工上均考慮抗干擾和諧波處理問題，加強諧波屏蔽及可靠接地使得系統具有可靠的抗干擾能力和穩定性[3]。

4 結束語

變頻調速恒壓供水系統因其優良的供水質量、有效的節約能源等優點，變使其在我國工業用水系統中扮演著重要的角色，在未來供水系統發展中具有重要的現實意義和社會意義。

【參考文獻】

[1]盧權，張勇，閆軍.基于九點控制器的變頻調速恒壓供水控制研究[J].供水技術，2010（01）：27-28.

[2]黃鵬.住宅小區變頻調速恒壓供水系統節能設計分析與應用[J].中外建筑，2010（01）：23-24

[3]陳懷忠，朱金芳.基于Fuzzy-PID控制的變頻恒壓供水系統設計[J].微計算機信息，2012（22）：35-36.

[責任編輯：劉帥]

【摘 要】隨著經濟快速發展，工業生產規模不斷擴大，對供水質量和供水系統的可靠性要求也越來越高。變頻調速設備在供水系統中應用廣泛、節能、調速優勢明顯。本文主要介紹變頻調速恒壓供水系統的基本原理及應用實例。

【關鍵詞】供水系統；工作原理，變頻調速；應用

隨著經濟迅速發展，工業企業對供水質量和供水系統可靠性的要求不斷提高；加之能源緊缺等因素，采用自動控制及通訊技術、節能、適應性強的恒壓供水系統發展迅速，在企業的供水系統中得到了廣泛應用。

1 變頻恒壓供水系統的研究現狀

隨著工業自動控制技術、電力電子技術的發展，變頻調速產業以及變頻恒壓供水系統都得到發展。變頻恒壓供水系統的穩定性、可靠性以及自動化程度都得到很大程度的提高。國內外都非常重視變頻器及其相關附屬產業的研究。現在變頻器大都實現了PID調節器等硬件集成，功能模塊通過設置指令代碼，搭載相應的恒壓供水單元，系統控制內部接觸器實現控制功能。從現有資料來看，目前國內外對變頻調速恒壓供水系統的研究中有關水壓的閉環控制研究不夠充分，有關變頻調速恒壓供水系統的抗干擾、穩定性等方面還有待進一步研究和探索。

2 系統的工作原理、優點及主要功能

2.1 變頻調速設備的工作原理

變頻恒壓供水系統主要由電動機、水泵、輸水管路、閥門等部分組成。閥門開度不變是供水系統工作點揚程特性H=f（Qn）前提。流量Q與揚程H間為反比關系。管阻特性是指水泵轉速恒定為前提，在閥門開度一定情況下，揚程H與流量Q之間的關系H=f（QG）。揚程曲線和管阻曲線交匯點為供水系統工作點，即圖中A點，該點用水流量Qu和系統供水流量QG相等，系統穩定。

圖1

供水系統變頻調速控制的實質是交流異步電動機的變頻調速。交流異步電動機的變頻調速是通過改變施加在電動機定子繞組上的電源頻率進而改變電動機的同步轉速，最終實現調整電動機運行轉速的目的。

交流異步電機的轉差率定義為[1]：

s=

交流異步電動機同步轉速定義為：

n =

交流異步電動機轉速計算公式為：

n= （1-s）

n1：交流異步電動機空載轉速；n：交流異步電動機轉子轉速；f：交流異步電動機電源頻率；p：交流異步電動機磁極對數。

供水流量控制方法有出口閥門開度控制、原動機轉速控制兩種。前者通過調節出口閥門的開度調節，電動機的轉速保持不變，其控制方式的實質是調整供水管路的阻力進而調整流量。原動機轉速控制是改變電動機的轉速達到調節供水流量的目的，系統管阻特性是固定的，而揚程特性隨著水泵轉速的變化而變化。根據用水量的變化，改變水泵電機的轉速，使得供水管網的壓力保持恒定，根據用戶需要調整水的動能，而不用將大量的供水能量消耗在閥門及管網的損耗上面。

圖2

由圖2可知：當采用出口閥門控制供水流量時，若供水量高峰期水泵工作在圖上的X點，對應流量為Q1，揚程為H0，當供水量從Q1減小到Q2時，關小出口閥門，則閥門的阻力變大，管阻曲線從β3上移到β1，而揚程特性曲線不變。而揚程則從H0上升到H1，機泵運行點從X點移至Y點，此刻，電動機輸出功率用圖形表示為（0，Q2，Y，H1）所包圍而成的矩形部分，其數值為：

PY=

當采用調速控制供水流量時，管阻特性曲線為β2，揚程特性變為曲線n2，機泵組工作點從X點移到J點。此時電動機輸出功率用圖形表示為（O，Q2，J，H0）所包圍成的矩形面積，其數值為：

PJ=

當采用調速控制供水流量時，所節省的能量為坐標（H0，J，Y，H1）所圍成的矩形面積，其數值為：

DP=Py-pj= - =

所以，采用出口閥門控制供水系統流量時部分能量被浪費，隨著閥門開度變小，供水管網的阻力增大，管阻特性曲線上移，系統運行點上移，供水揚程H1增大，被浪費的能量隨之增加。調速前后流量Q、揚程H、功率P與轉速N之間關系為：

= ； =（ ） ； =（ ）

2.2 變頻調速系統的優點

變頻調速恒壓供水系統優點有：首先，提高供水質量，滿足工業生產精細化管理要求。傳統恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水等方式普遍存在能量轉換效率低下、浪費水、電資源、系統控制自動化程度不高等缺點，變頻調速恒壓供水系統可有效控制供水壓力的大小，實現精細化的供水管理；其次，變頻調速恒壓供水系統節約能源。恒壓供水系統不僅避免了水資源浪費，而且還避免了供水過程中的電能的浪費；再次，變頻調速恒壓供水系統具有電動機軟啟動功能。電動機起動電流由零逐步升高至額定值，避免對電網產生沖擊；最后，變頻調速恒壓供水系統還可以有效地消除供水管網水錘效應，水錘效應是供水系統中由供水壓力突變化造成的，對供水管網及附件造成損傷，而變頻調速恒壓供水系統可以有效地消除這種效應 [2]。（下轉第12頁）

（上接第7頁）2.3 變頻調速供水系統的閉環控制功能

管網出口供水壓力恒定是系統的控制目標：首先供水系統實現自動調節的功能。接通電源后，變頻器輸出的頻率從0Hz逐漸上升，PID調節器隨即接收來自出口壓力表的反饋信號，經內部自動運算后與所給定的壓力參數進行對比，自動調整電動機轉速。若系統突然斷電，系統則停機，而當電源恢復后就重新開始運行；其次系統具有恒壓控制功能。根據用水量需求情況，變頻調速恒壓供水系統可以對電動機轉速進行即時控制，保證恒壓供水；再次系統具有系統保護功能。這個系統可以對工頻電源和變頻電源在供電控制回路上實現機械和電氣互鎖，這樣可以保護電路，從而保護整個供水系統。

圖3

3 變頻調速恒壓供水系統在石油化工企業用水環境中的應用

本用戶用水量情況如下：

（1）系統必保最低安全用水量：為保證消防用水需要，該流量保證必須可靠，即使在日常生產中不消耗，也必須實時保持供應，該流量為280噸/小時；

（2）系統滿負荷生產用水量：當企業滿負荷生產時每小時消耗的水量。該流量為680噸/小時～700噸/小時左右；

（3）系統超負荷生產用水量：極端情況下，系統最大用水量1000噸/小時。

針對企業用水需求情況并兼顧系統保安供水需求，兩臺工頻電機采用互投備用方式；兩臺變頻電機采用恒壓調整方式。采用PLC控制器實現工頻電機的互投切換及變頻電機的自動投、切及調速。全系統由：執行設備、控制設備、信號檢測設備組成。

工程中應注意，優化閉環控制系統PID參數值，使得系統調節兼顧穩定性、靈敏性；充分運用變頻器的電動機的軟啟動功能，減少電流突變對電動機本體和電網的沖擊，竭力消除供水管網水錘效應；鑒于變頻器是電網系統中不可忽視的諧波源，在全系統軟、硬件設計、施工上均考慮抗干擾和諧波處理問題，加強諧波屏蔽及可靠接地使得系統具有可靠的抗干擾能力和穩定性[3]。

4 結束語

變頻調速恒壓供水系統因其優良的供水質量、有效的節約能源等優點，變使其在我國工業用水系統中扮演著重要的角色，在未來供水系統發展中具有重要的現實意義和社會意義。

【參考文獻】

[1]盧權，張勇，閆軍.基于九點控制器的變頻調速恒壓供水控制研究[J].供水技術，2010（01）：27-28.

[2]黃鵬.住宅小區變頻調速恒壓供水系統節能設計分析與應用[J].中外建筑，2010（01）：23-24

[3]陳懷忠，朱金芳.基于Fuzzy-PID控制的變頻恒壓供水系統設計[J].微計算機信息，2012（22）：35-36.

[責任編輯：劉帥]

【摘 要】隨著經濟快速發展，工業生產規模不斷擴大，對供水質量和供水系統的可靠性要求也越來越高。變頻調速設備在供水系統中應用廣泛、節能、調速優勢明顯。本文主要介紹變頻調速恒壓供水系統的基本原理及應用實例。

【關鍵詞】供水系統；工作原理，變頻調速；應用

隨著經濟迅速發展，工業企業對供水質量和供水系統可靠性的要求不斷提高；加之能源緊缺等因素，采用自動控制及通訊技術、節能、適應性強的恒壓供水系統發展迅速，在企業的供水系統中得到了廣泛應用。

1 變頻恒壓供水系統的研究現狀

隨著工業自動控制技術、電力電子技術的發展，變頻調速產業以及變頻恒壓供水系統都得到發展。變頻恒壓供水系統的穩定性、可靠性以及自動化程度都得到很大程度的提高。國內外都非常重視變頻器及其相關附屬產業的研究。現在變頻器大都實現了PID調節器等硬件集成，功能模塊通過設置指令代碼，搭載相應的恒壓供水單元，系統控制內部接觸器實現控制功能。從現有資料來看，目前國內外對變頻調速恒壓供水系統的研究中有關水壓的閉環控制研究不夠充分，有關變頻調速恒壓供水系統的抗干擾、穩定性等方面還有待進一步研究和探索。

2 系統的工作原理、優點及主要功能

2.1 變頻調速設備的工作原理

變頻恒壓供水系統主要由電動機、水泵、輸水管路、閥門等部分組成。閥門開度不變是供水系統工作點揚程特性H=f（Qn）前提。流量Q與揚程H間為反比關系。管阻特性是指水泵轉速恒定為前提，在閥門開度一定情況下，揚程H與流量Q之間的關系H=f（QG）。揚程曲線和管阻曲線交匯點為供水系統工作點，即圖中A點，該點用水流量Qu和系統供水流量QG相等，系統穩定。

圖1

供水系統變頻調速控制的實質是交流異步電動機的變頻調速。交流異步電動機的變頻調速是通過改變施加在電動機定子繞組上的電源頻率進而改變電動機的同步轉速，最終實現調整電動機運行轉速的目的。

交流異步電機的轉差率定義為[1]：

s=

交流異步電動機同步轉速定義為：

n =

交流異步電動機轉速計算公式為：

n= （1-s）

n1：交流異步電動機空載轉速；n：交流異步電動機轉子轉速；f：交流異步電動機電源頻率；p：交流異步電動機磁極對數。

供水流量控制方法有出口閥門開度控制、原動機轉速控制兩種。前者通過調節出口閥門的開度調節，電動機的轉速保持不變，其控制方式的實質是調整供水管路的阻力進而調整流量。原動機轉速控制是改變電動機的轉速達到調節供水流量的目的，系統管阻特性是固定的，而揚程特性隨著水泵轉速的變化而變化。根據用水量的變化，改變水泵電機的轉速，使得供水管網的壓力保持恒定，根據用戶需要調整水的動能，而不用將大量的供水能量消耗在閥門及管網的損耗上面。

圖2

由圖2可知：當采用出口閥門控制供水流量時，若供水量高峰期水泵工作在圖上的X點，對應流量為Q1，揚程為H0，當供水量從Q1減小到Q2時，關小出口閥門，則閥門的阻力變大，管阻曲線從β3上移到β1，而揚程特性曲線不變。而揚程則從H0上升到H1，機泵運行點從X點移至Y點，此刻，電動機輸出功率用圖形表示為（0，Q2，Y，H1）所包圍而成的矩形部分，其數值為：

PY=

當采用調速控制供水流量時，管阻特性曲線為β2，揚程特性變為曲線n2，機泵組工作點從X點移到J點。此時電動機輸出功率用圖形表示為（O，Q2，J，H0）所包圍成的矩形面積，其數值為：

PJ=

當采用調速控制供水流量時，所節省的能量為坐標（H0，J，Y，H1）所圍成的矩形面積，其數值為：

DP=Py-pj= - =

所以，采用出口閥門控制供水系統流量時部分能量被浪費，隨著閥門開度變小，供水管網的阻力增大，管阻特性曲線上移，系統運行點上移，供水揚程H1增大，被浪費的能量隨之增加。調速前后流量Q、揚程H、功率P與轉速N之間關系為：

= ； =（ ） ； =（ ）

2.2 變頻調速系統的優點

變頻調速恒壓供水系統優點有：首先，提高供水質量，滿足工業生產精細化管理要求。傳統恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水等方式普遍存在能量轉換效率低下、浪費水、電資源、系統控制自動化程度不高等缺點，變頻調速恒壓供水系統可有效控制供水壓力的大小，實現精細化的供水管理；其次，變頻調速恒壓供水系統節約能源。恒壓供水系統不僅避免了水資源浪費，而且還避免了供水過程中的電能的浪費；再次，變頻調速恒壓供水系統具有電動機軟啟動功能。電動機起動電流由零逐步升高至額定值，避免對電網產生沖擊；最后，變頻調速恒壓供水系統還可以有效地消除供水管網水錘效應，水錘效應是供水系統中由供水壓力突變化造成的，對供水管網及附件造成損傷，而變頻調速恒壓供水系統可以有效地消除這種效應 [2]。（下轉第12頁）

（上接第7頁）2.3 變頻調速供水系統的閉環控制功能

管網出口供水壓力恒定是系統的控制目標：首先供水系統實現自動調節的功能。接通電源后，變頻器輸出的頻率從0Hz逐漸上升，PID調節器隨即接收來自出口壓力表的反饋信號，經內部自動運算后與所給定的壓力參數進行對比，自動調整電動機轉速。若系統突然斷電，系統則停機，而當電源恢復后就重新開始運行；其次系統具有恒壓控制功能。根據用水量需求情況，變頻調速恒壓供水系統可以對電動機轉速進行即時控制，保證恒壓供水；再次系統具有系統保護功能。這個系統可以對工頻電源和變頻電源在供電控制回路上實現機械和電氣互鎖，這樣可以保護電路，從而保護整個供水系統。

圖3

3 變頻調速恒壓供水系統在石油化工企業用水環境中的應用

本用戶用水量情況如下：

（1）系統必保最低安全用水量：為保證消防用水需要，該流量保證必須可靠，即使在日常生產中不消耗，也必須實時保持供應，該流量為280噸/小時；

（2）系統滿負荷生產用水量：當企業滿負荷生產時每小時消耗的水量。該流量為680噸/小時～700噸/小時左右；

（3）系統超負荷生產用水量：極端情況下，系統最大用水量1000噸/小時。

針對企業用水需求情況并兼顧系統保安供水需求，兩臺工頻電機采用互投備用方式；兩臺變頻電機采用恒壓調整方式。采用PLC控制器實現工頻電機的互投切換及變頻電機的自動投、切及調速。全系統由：執行設備、控制設備、信號檢測設備組成。

工程中應注意，優化閉環控制系統PID參數值，使得系統調節兼顧穩定性、靈敏性；充分運用變頻器的電動機的軟啟動功能，減少電流突變對電動機本體和電網的沖擊，竭力消除供水管網水錘效應；鑒于變頻器是電網系統中不可忽視的諧波源，在全系統軟、硬件設計、施工上均考慮抗干擾和諧波處理問題，加強諧波屏蔽及可靠接地使得系統具有可靠的抗干擾能力和穩定性[3]。

4 結束語

變頻調速恒壓供水系統因其優良的供水質量、有效的節約能源等優點，變使其在我國工業用水系統中扮演著重要的角色，在未來供水系統發展中具有重要的現實意義和社會意義。

【參考文獻】

[1]盧權，張勇，閆軍.基于九點控制器的變頻調速恒壓供水控制研究[J].供水技術，2010（01）：27-28.

[2]黃鵬.住宅小區變頻調速恒壓供水系統節能設計分析與應用[J].中外建筑，2010（01）：23-24

[3]陳懷忠，朱金芳.基于Fuzzy-PID控制的變頻恒壓供水系統設計[J].微計算機信息，2012（22）：35-36.

[責任編輯：劉帥]