變頻調速裝置在萊鋼供水系統中的應用

0 引言

水泵是供水系統常用的設備，水泵通常是以流量為控制對象的。傳統的流量控制方法是閥門/擋板控制法，即通過關小和開大閥門/擋板的開度來調節水流量。閥門控制法的實質是通過改變管網阻力大小來改變流量。因此，這種控制方式當所需流量減少時，壓力反而會增加，故軸功率的降低有限，此時，過剩的水泵功率將導致壓力增加而白白浪費掉了。利用變頻調速裝置，可在閥門/擋板全開的情況下，通過改變水泵的轉速來調節流量，其實質是通過減少流體動力來節電。

隨著變頻調速技術的成熟、普及及應用，采用變頻調速實現恒壓供水其節能效果是顯著的。變頻恒壓供水系統是采用可編程控制器、PID儀表和變頻器而研制成的新一代供水系統，通過壓力變送器和PLC構成閉環控制系統。按恒壓、節能節水的優化運行原則，隨著用水量的變化，PID儀表不斷地進行壓力采樣，PLC 進行邏輯運算自動控制機組中泵的轉速和切換，從而實現全自動恒壓變頻供水。

1 變頻恒壓供水原理

變頻恒壓供水控制系統通過檢測管網壓力變化，或者按設定要求隨時間變化而自動調整壓力給定值，通過壓力變送器，將管網壓力反饋給PID儀表，求出壓力偏差，然后進行邏輯判斷和人工神經元控制算法數字調節運算。目的是控制變頻器的輸出頻率和輸出電壓，從而調節水泵的轉速，控制變頻泵和多臺工頻泵的啟停而達到恒壓供水的目的。變頻器的頻率超限信號(一般可作為管網壓力極限信號)可實時通知PLC 進行變頻泵邏輯切換。為防止水錘現象的產生，泵的啟停將聯動其出口閥門。

典型的自動恒壓供水系統的結構框圖如圖1所示。系統具有控制水泵出口總管壓力恒定、變流量供水功能，系統通過安裝在出水總管上的壓力傳感器、流量傳感器，實時將壓力、流量非電量信號轉換為電信號，輸入至可編程控制器(PLC)的輸入模塊，信號經CPU運算處理后與設定的信號進行比較運算，得出最佳的運行工況參數，由系統的輸出模塊輸出邏輯控制指令和變頻器的頻率設定值，控制泵站投運水泵的臺數及變頻泵的運行工況，并實現對每臺水泵根據CPU 指令實施軟啟動、軟切換及變頻運行。

系統可根據用戶用水量的變化，自動確定泵組的水泵的循環運行，以提高系統的穩定性及供水的質量。

變頻恒壓供水系統各單元的功能如下：

1)變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源調節水泵轉速以調節流量，并保持恒壓供水，同時實現電機的無級調速;

2)安裝于供水管道上的壓力變送器(傳感器)的任務是檢測管網水壓，將管網壓力轉換成1~5 V的電信號;

3)壓力設定單元的任務是為系統提供滿足用戶需要的水壓期望值;

4)可編程控制器(PLC)的任務是綜合壓力設定信號和壓力反饋信號后，經其內部PID控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉速控制信號或邏輯切換信號。

此外，上述系統還配備了外圍輔助電路，以保障自動控制系統出現故障時可通過人工調節方式維持系統運行，保證連續生產。

2 變頻調速裝置在萊鋼供水系統中的應用

萊鋼在供水系統中應用變頻調速裝置的設計原則是保證恒壓供水，滿足用戶需求，并盡量節能。

當用水量不是很大時，一臺泵在變頻器的控制下穩定運行;當用水量大到變頻器全速運行也不能保證管網的壓力和穩定時，PLC 自動將原工作在變頻狀態下的水泵投入到工頻運行，同時將一臺備用的水泵用變頻器起動后投入運行，以加大管網的供水量保證壓力穩定。

當用水量減少到變頻器已工作在頻率設定的下限，且管網壓力仍超過上限值時，PLC 首先將工頻運行的泵停掉，以減少供水量。如果管網壓力仍超過上限值則PLC再停掉一臺工頻運行的電機，直到最后一臺泵用變頻器恒壓供水。另外，控制系統設計2臺泵為一組，每臺泵的電機累計運行時間可顯示，24 h輪換一次，既保證供水系統有備用泵，又保證系統的泵有相同的運行時間，確保了泵的可靠使用壽命。

3 工程實例

萊鋼自來水廠擁有一座10 000 m3的清水池，共有4臺水泵，其電機容量均為180 kW，負責整個萊鋼生活區的生活用水的供應。根據多年來的運行經驗，我們設計為1#、2#水泵采用一臺變頻器調速控制，3#、4#水泵采用軟啟動。

正常情況下，利用工頻—變頻母線，變頻起、停1#、2#主泵，1#、2# 水泵啟動后慢慢升速，根據采集到的總出水口壓力信號，由PLC軟件設定實現調節功能，同時輸出一個采樣壓力信號，該采樣信號與預設定信號比較，采樣信號小于預設定壓力信號，PLC 將啟動變頻器使水泵升速運行，同時，隨時將不斷變化的采樣信號與設定壓力信號比較，控制變頻器在某一范圍內運行。當外部水量較大，而變頻水泵全速運行仍不能滿足要求時，則全速運轉1#、2# 主泵，由PLC 發出開機命令，通過軟啟動工頻運行3#、4#水泵，然后PLC根據3#、4#水泵啟動后外部用水壓力的變化情況自動調節兩臺變頻水泵的輸出，達到管網壓力的設定值，使供水壓力保持恒定。

鑰莊加壓泵房低壓系統共控制3臺水泵，3臺水泵的電機配置方式為2×132 kW+1×55 kW，采用電抗器降壓啟動，控制設備老化、技術落后。根據多年來的運行經驗，一般情況下，2臺1×132 kW+1×55kW水泵電機的運行方式容量偏小，而2臺2×132 kW的水泵電機的運行方式容量偏大。

根據該泵房實際的工藝狀況及低壓系統目前存在的問題，我們將變頻器和軟啟動器結合在鑰莊泵房進行了應用，即用1臺變頻器控制1臺132 kW的水泵電機，另1臺132 kW和55 kW的水泵電機采用軟啟動器控制。變頻器采用PID調節，實現了恒壓閉環控制系統。同時要求變頻器具有手動/自動切換功能，既能夠手動調節電動機的轉速并結合高壓系統中央信號屏的改造，將壓力指示、頻率指示及電源工作指示信號均引至中央信號屏，并能在信號屏上手動調節電動機的轉速。技術改造后調節閥門全開既實現了恒壓供水，又節約了電能。

4 系統經濟效益分析及系統優點

4.1 經濟效益分析

變頻泵的功率P1、供水量q1與泵轉速n1三者的關系如下

4.2 系統優點

1)由于采用了變頻調速，水泵的轉速是由外供水量決定的，故系統在運行過程中節約的電能可觀，其經濟效益是十分明顯的。由于其節電效果明顯，所以系統具有投資回收快，且長期受益，其產生的社會效益也是非常巨大的。

2)由于采用了變頻調速，水泵電動機實現了軟啟動，避免了電動機啟動時的電流沖擊對電網電壓造成波動的影響，降低了對供電電網容量的要求，同時也避免了電動機突然加速對泵系統的沖擊。

3)由于采用了變頻調速，當管網流量小于額定流量時，泵轉速將自動降低，從而減少了軸承的磨損和發熱，延長了泵和電動機的機械使用壽命。

4)因實現恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了操作員的勞動強度，也節省了人力。

5 結語

采用PLC、PID儀表和變頻器的變頻恒壓供水系統，能根據管網壓力變化，自動控制多臺水泵工頻、變頻切換以及變頻泵的轉速，從而實現恒壓供水。工程實踐表明，這一系統具有降耗節電、延長水泵電機使用壽命、降低工人勞動強度等優點，值得推廣。