供水系統中使用變頻節能的實踐

（中鋁西北鋁責任有限公司， 隴西 748100）

1 序言

我公司生水泵站共有3臺離心泵水泵，采用一用兩備的運行方式。原系統水泵電機使用接觸器控制，啟動方式為全電壓啟動，啟動時對設備和電網造成嚴重的沖擊，大大降低了電機和水泵的使用壽命，增加了維修量。單臺水泵開啟后根據用水量手動控制出水閥門開口度調節供水壓力，如單臺水泵提供水壓不能滿足需要手動投入第二臺水泵補充。由于是手動作業，需反復開關幾次才能調節到需求壓力。頻繁調節閥門會產生大量的節流損失增加能耗，且水泵啟動后電機始終處于恒速運行狀態，電能明顯浪費在無用功上。在生產設備需水量變化比較大時，操作人員需隨時調節出水閥開口度及投入切除備用泵組，浪費人力且手動調整時間較長，影響生產設備正常運行。鑒于生水泵站原電氣控制系統存在如上所述之問題，我公司決定對生水泵站電控系統進行變頻節能技術改造。

表1 生水泵站水泵及電機參數

2 生水泵站電控系統變頻節能改造設計方案

生水泵站改造采用出口水壓恒壓控制方式，以供水出口管網水壓為控制目標，在控制上實現出口總管網的實際供水壓力跟隨設定的供水壓力。電氣控制系統以PLC控制系統作為主控制系統，出口管網處加裝壓力傳感器作為水壓反饋信號，智能儀表輸入作為壓力設定給定信號，壓力傳感器反饋信號接入智能儀表，智能儀表將給定和反饋偏差信號傳入PLC控制系統，PLC控制系統進行PID計算后，控制變頻器輸出頻率的增加或減少來實現水壓恒壓控制。三臺水泵采用“一拖三”控制方式，由PLC控制系統通過接觸器切換電機變頻工頻使用，在變頻控制水泵不能滿足出口水壓要求時，投入工頻控制備用泵，工頻控制電機啟動使用軟啟動器啟動減少對電網及設備的沖擊。

在系統運行過程中，如果實際供水壓力低于設定壓力，PLC控制系統將得到正的壓力差，這個差值經過計算和轉換，計算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實際供水壓力與設定壓力的差值，將這個增量和變頻器當前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當前應該輸出的頻率。該頻率使水泵機組轉速增大，從而使實際供水壓力提高，在運行過程中該過程將被重復，直到實際供水壓力和設定壓力相等為止。如果運行過程中實際供水壓力高于設定壓力，情況剛好相反，變頻的輸出頻率將會降低，水泵的轉速減小，實際供水壓力因此而減小。

3 生水泵站電控系統變頻節能改造系統組成

生水泵站電控系統變頻節能改造新加設備主要有PLC控制系統、智能儀表、變頻器、軟啟動器等組成。

3.1 PLC控制系統

生水泵站電控系統變頻節能改造PLC控制系統選用西門子S7-200控制系統，S7-200的用戶程序中包括了位邏輯、計數器、定時器、復雜數學運算以及與其他職能模塊通訊等指令內容，從而使它能夠監視輸入狀態，改變輸出狀態已達到控制目的。緊湊的結構、靈活的配置和強大的指令集完全能夠滿足本次改造的要求，且S7-200價格較低節省了改造費用。

3.2 智能儀表

生水泵站電控系統變頻節能改造智能儀表選用宇電AI-708精密人工智能工業調節器，該智能儀表的主要特點有輸入可自由選擇熱電偶、熱電阻、電流、電壓并可擴充輸入及自定義非線性校正表格，測量精度達0.2級。采用先進的AI人工智能PID調節算法，無超調，具備自整定功能及精細控制模式。采用先進的模塊化結構，提供豐富的輸出規格，能廣泛滿足各種應用場合的需要。每秒12.5次測量采樣數率，最小控制周期達0.24秒，能適應快速變化對象的控制精度。人性化設計的操作方法，易學易用?？垢蓴_性能符合在嚴酷工業條件下電磁兼容（EMC）的要求。

3.3 變頻器

生水泵站電控系統變頻節能改造變頻器選用西門子MICROMASTER 440通用型變頻器，MM440通用變頻器易于安裝，參數設置和調試。有牢固的EMC設計，對控制信號的響應是快速和可重復的。參數設置的范圍很廣，電纜連接簡便，具有多個繼電器輸出和模擬量輸出（0-20MA），6個帶隔離的數字輸入，2個模擬量輸入，可輸入0-10V、0-20MA、-10至+10V信號。具有矢量控制和V/f控制功能，具有電流限制（FCL）功能，避免運行中不應有的跳閘。內置的直流注入制動。復合制動功能改善了制動特性。具有PID控制功能的閉環控制。加速/減速斜坡特性具有可編程的平滑功能。具有過電壓/欠電壓保護、變頻器過熱保護、接地故障保護、短路保護、I2t電動機過熱保護和PTC/KTY電動機保護等保護特性。

3.4 軟啟動器

生水泵站電控系統變頻節能改造軟啟動器選用西安西馳CMC-MX內置旁路型電機軟啟動器，該軟啟動器是一種基于觸發閉環算法的調壓、限流式智能異步電動機軟啟動器。內置旁路接觸器觸點采用磁保持型接觸器，無噪音、無電磁污染、不產生火花。該軟啟動器能無階躍的平穩啟動/停止電機，避免因采用直接啟動、星/三角啟動、自耦減壓啟動等傳統啟動方式啟動電機而引起的機械與電氣沖擊等問題，并能有效降低啟動電流及配電容量。該軟啟動器具有多種啟動方式，可選擇限流啟動、電壓斜坡啟動，并可在每種啟動方式下施加可編程突跳啟動及啟動電流限制。該軟啟動器具有高可靠性、強大的抗干擾性、簡便的調整方式、優化的結構、電源頻率自適應、維護簡便等特性。該軟啟動器保護功能完善，有過電流、輸入輸出缺相、晶閘管短路、過熱保護、漏電檢測、電子熱過載、內部接觸器故障、相電流不平衡等電機保護功能。

4 生水泵站電控系統變頻節能改造后系統運行方式

生水泵站電控系統變頻節能改造后系統運行方式：

通過變頻選擇開關選擇1#2#3#水泵中任意一臺為變頻運行。閉合工頻的軟啟動器三項電源空氣開關，閉合工頻補償泵的工頻旁路三項電源空氣開關。通過軟啟動器開關選擇1#2#3#水泵中的任意一臺為工頻運行。

運行操作：

（1）操作人員按控制柜變頻啟動按鈕，變頻運行水泵的指示燈亮，則變頻泵1#或2#3#開始變頻運行。

（2）變頻運行的水泵啟動20秒鐘后，PLC自動將選擇變頻運行水泵的井口閥開閥。

（3）一臺水泵變頻運行，PLC對這臺變頻水泵進行自動控制。當實際壓力低于設定壓力時，PLC根據該偏差進行PID控制算法處理，通過D/A轉換后發出指令，使變頻器輸入頻率增高，增加水泵轉速，從而提高給水量，使實際壓力達到設定壓力要求。反之則逆運行。

（4）當變頻泵升速至50HZ，經過30秒延時，實際壓力任然低于設定壓力，PLC自動通過軟啟動器啟動工頻補償泵，待軟啟動器達到全速達速點時，軟啟動器的旁路接觸器閉合，工頻補償泵開始運行。三臺泵的補償順序：1#變頻時，2#工頻補充；2#變頻時3#工頻補充；3#變頻時，1#工頻補充。

（5）當兩臺泵運行，變頻泵降速到15HZ，經10秒延時，實際壓力任高于設定壓力，PLC自動停止補充泵工頻運行。

（6）按變頻停止按鈕，變頻運行水泵的出口閥關閉、變頻泵1#2#3#停止變頻運行。

（7）工頻運行。當變頻控制泵發生故障，短期不能恢復運行，可選擇工頻運行。

5 生水泵站電控系統變頻節能改造達到的節能效果

5.1 電能節能

生水泵站電控系統變頻節能改造使用變頻調速技術改變電機轉速的方法控制供水出口管網水壓保持恒壓，比改造前使用手動控制出水閥門開口度調節供水壓力方式節約電能效果明顯，從我公司實測數據來看，改造前生水泵站月度用電量平均在30000度左右，改造后生水泵站月度用電量平均在17500度左右，每月平均節約電能40%以上。

生水泵站電控系統變頻節能改造前電機啟動方式為全電壓啟動，啟動時對設備和電網造成嚴重的沖擊，大大降低了電機和水泵的使用壽命。改造后利用變頻器的軟啟動功能和軟啟動器控制工頻啟動，啟動電流從零開始,最大值也不超過額定電流,減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求,延長了設備的使用壽命。

生水泵站電控系統變頻節能改造前系統功率因數偏低，大量的無功功率不但增加線損和設備發熱，而且導致設備使用效率低下,浪費嚴重。改造后由于變頻器內部濾波電容的作用,從而減少了無功損耗,增加了電網的有功功率。

5.2 人工及維修成本節約

生水泵站電控系統變頻節能改造后泵站出水壓力自動恒定控制，設備啟動后，除正常巡視外無需專人操作，相比改造前動人工調整方式節省了大量人力，生水泵站值班人員由原來的7人減少為3人，且工作量比改造前大為降低。

生水泵站電控系統變頻節能改造后電機啟動改為軟啟動方式，使供電設備、電機、水泵、水管管道等相關設備故障率大大降低。改造后管道出水閥門除維修時始終處于全開狀態，閥門故障率也大為降低。

6 結束語

我公司生水泵站電控系統變頻節能改造后，設備運行穩定，供水壓力穩定，系統節約電能效果明顯，設備故障率大大降低，人力成本節約較大，改造效果達到了公司要求。為公司其他泵站的節能改造起到了一定的參考作用。