0 引言

水泵是供水系統(tǒng)常用的設(shè)備，水泵通常是以流量為控制對(duì)象的。傳統(tǒng)的流量控制方法是閥門/擋板控制法，即通過關(guān)小和開大閥門/擋板的開度來調(diào)節(jié)水流量。閥門控制法的實(shí)質(zhì)是通過改變管網(wǎng)阻力大小來改變流量。因此，這種控制方式當(dāng)所需流量減少時(shí)，壓力反而會(huì)增加，故軸功率的降低有限，此時(shí)，過剩的水泵功率將導(dǎo)致壓力增加而白白浪費(fèi)掉了。利用變頻調(diào)速裝置，可在閥門/擋板全開的情況下，通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，其實(shí)質(zhì)是通過減少流體動(dòng)力來節(jié)電。

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的成熟、普及及應(yīng)用，采用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)恒壓供水其節(jié)能效果是顯著的。變頻恒壓供水系統(tǒng)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(tǒng)，通過壓力變送器和PLC構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。按恒壓、節(jié)能節(jié)水的優(yōu)化運(yùn)行原則，隨著用水量的變化，PID儀表不斷地進(jìn)行壓力采樣，PLC 進(jìn)行邏輯運(yùn)算自動(dòng)控制機(jī)組中泵的轉(zhuǎn)速和切換，從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)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(tǒng)通過檢測(cè)管網(wǎng)壓力變化，或者按設(shè)定要求隨時(shí)間變化而自動(dòng)調(diào)整壓力給定值，通過壓力變送器，將管網(wǎng)壓力反饋給PID儀表，求出壓力偏差，然后進(jìn)行邏輯判斷和人工神經(jīng)元控制算法數(shù)字調(diào)節(jié)運(yùn)算。目的是控制變頻器的輸出頻率和輸出電壓，從而調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，控制變頻泵和多臺(tái)工頻泵的啟停而達(dá)到恒壓供水的目的。變頻器的頻率超限信號(hào)(一般可作為管網(wǎng)壓力極限信號(hào))可實(shí)時(shí)通知PLC 進(jìn)行變頻泵邏輯切換。為防止水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生，泵的啟停將聯(lián)動(dòng)其出口閥門。

典型的自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)具有控制水泵出口總管壓力恒定、變流量供水功能，系統(tǒng)通過安裝在出水總管上的壓力傳感器、流量傳感器，實(shí)時(shí)將壓力、流量非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸入至可編程控制器(PLC)的輸入模塊，信號(hào)經(jīng)CPU運(yùn)算處理后與設(shè)定的信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，得出最佳的運(yùn)行工況參數(shù)，由系統(tǒng)的輸出模塊輸出邏輯控制指令和變頻器的頻率設(shè)定值，控制泵站投運(yùn)水泵的臺(tái)數(shù)及變頻泵的運(yùn)行工況，并實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)水泵根據(jù)CPU 指令實(shí)施軟啟動(dòng)、軟切換及變頻運(yùn)行。

系統(tǒng)可根據(jù)用戶用水量的變化，自動(dòng)確定泵組的水泵的循環(huán)運(yùn)行，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及供水的質(zhì)量。

變頻恒壓供水系統(tǒng)各單元的功能如下：

1)變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)流量，并保持恒壓供水，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級(jí)調(diào)速;

2)安裝于供水管道上的壓力變送器(傳感器)的任務(wù)是檢測(cè)管網(wǎng)水壓，將管網(wǎng)壓力轉(zhuǎn)換成1~5 V的電信號(hào);

3)壓力設(shè)定單元的任務(wù)是為系統(tǒng)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(wù)是綜合壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)后，經(jīng)其內(nèi)部PID控制程序的計(jì)算，輸出給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)或邏輯切換信號(hào)。

此外，上述系統(tǒng)還配備了外圍輔助電路，以保障自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可通過人工調(diào)節(jié)方式維持系統(tǒng)運(yùn)行，保證連續(xù)生產(chǎn)。

2 變頻調(diào)速裝置在萊鋼供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

萊鋼在供水系統(tǒng)中應(yīng)用變頻調(diào)速裝置的設(shè)計(jì)原則是保證恒壓供水，滿足用戶需求，并盡量節(jié)能。

當(dāng)用水量不是很大時(shí)，一臺(tái)泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運(yùn)行;當(dāng)用水量大到變頻器全速運(yùn)行也不能保證管網(wǎng)的壓力和穩(wěn)定時(shí)，PLC 自動(dòng)將原工作在變頻狀態(tài)下的水泵投入到工頻運(yùn)行，同時(shí)將一臺(tái)備用的水泵用變頻器起動(dòng)后投入運(yùn)行，以加大管網(wǎng)的供水量保證壓力穩(wěn)定。

當(dāng)用水量減少到變頻器已工作在頻率設(shè)定的下限，且管網(wǎng)壓力仍超過上限值時(shí)，PLC 首先將工頻運(yùn)行的泵停掉，以減少供水量。如果管網(wǎng)壓力仍超過上限值則PLC再停掉一臺(tái)工頻運(yùn)行的電機(jī)，直到最后一臺(tái)泵用變頻器恒壓供水。另外，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2臺(tái)泵為一組，每臺(tái)泵的電機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間可顯示，24 h輪換一次，既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)的泵有相同的運(yùn)行時(shí)間，確保了泵的可靠使用壽命。

3 工程實(shí)例

萊鋼自來水廠擁有一座10 000 m3的清水池，共有4臺(tái)水泵，其電機(jī)容量均為180 kW，負(fù)責(zé)整個(gè)萊鋼生活區(qū)的生活用水的供應(yīng)。根據(jù)多年來的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)為1#、2#水泵采用一臺(tái)變頻器調(diào)速控制，3#、4#水泵采用軟啟動(dòng)。

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(dòng)后慢慢升速，根據(jù)采集到的總出水口壓力信號(hào)，由PLC軟件設(shè)定實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能，同時(shí)輸出一個(gè)采樣壓力信號(hào)，該采樣信號(hào)與預(yù)設(shè)定信號(hào)比較，采樣信號(hào)小于預(yù)設(shè)定壓力信號(hào)，PLC 將啟動(dòng)變頻器使水泵升速運(yùn)行，同時(shí)，隨時(shí)將不斷變化的采樣信號(hào)與設(shè)定壓力信號(hào)比較，控制變頻器在某一范圍內(nèi)運(yùn)行。當(dāng)外部水量較大，而變頻水泵全速運(yùn)行仍不能滿足要求時(shí)，則全速運(yùn)轉(zhuǎn)1#、2# 主泵，由PLC 發(fā)出開機(jī)命令，通過軟啟動(dòng)工頻運(yùn)行3#、4#水泵，然后PLC根據(jù)3#、4#水泵啟動(dòng)后外部用水壓力的變化情況自動(dòng)調(diào)節(jié)兩臺(tái)變頻水泵的輸出，達(dá)到管網(wǎng)壓力的設(shè)定值，使供水壓力保持恒定。

鑰莊加壓泵房低壓系統(tǒng)共控制3臺(tái)水泵，3臺(tái)水泵的電機(jī)配置方式為2×132 kW+1×55 kW，采用電抗器降壓?jiǎn)?dòng)，控制設(shè)備老化、技術(shù)落后。根據(jù)多年來的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，一般情況下，2臺(tái)1×132 kW+1×55kW水泵電機(jī)的運(yùn)行方式容量偏小，而2臺(tái)2×132 kW的水泵電機(jī)的運(yùn)行方式容量偏大。

根據(jù)該泵房實(shí)際的工藝狀況及低壓系統(tǒng)目前存在的問題，我們將變頻器和軟啟動(dòng)器結(jié)合在鑰莊泵房進(jìn)行了應(yīng)用，即用1臺(tái)變頻器控制1臺(tái)132 kW的水泵電機(jī)，另1臺(tái)132 kW和55 kW的水泵電機(jī)采用軟啟動(dòng)器控制。變頻器采用PID調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了恒壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時(shí)要求變頻器具有手動(dòng)/自動(dòng)切換功能，既能夠手動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速并結(jié)合高壓系統(tǒng)中央信號(hào)屏的改造，將壓力指示、頻率指示及電源工作指示信號(hào)均引至中央信號(hào)屏，并能在信號(hào)屏上手動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。技術(shù)改造后調(diào)節(jié)閥門全開既實(shí)現(xiàn)了恒壓供水，又節(jié)約了電能。

4 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益分析及系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

變頻泵的功率P1、供水量q1與泵轉(zhuǎn)速n1三者的關(guān)系如下

4.2 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

1)由于采用了變頻調(diào)速，水泵的轉(zhuǎn)速是由外供水量決定的，故系統(tǒng)在運(yùn)行過程中節(jié)約的電能可觀，其經(jīng)濟(jì)效益是十分明顯的。由于其節(jié)電效果明顯，所以系統(tǒng)具有投資回收快，且長(zhǎng)期受益，其產(chǎn)生的社會(huì)效益也是非常巨大的。

2)由于采用了變頻調(diào)速，水泵電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，避免了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊對(duì)電網(wǎng)電壓造成波動(dòng)的影響，降低了對(duì)供電電網(wǎng)容量的要求，同時(shí)也避免了電動(dòng)機(jī)突然加速對(duì)泵系統(tǒng)的沖擊。

3)由于采用了變頻調(diào)速，當(dāng)管網(wǎng)流量小于額定流量時(shí)，泵轉(zhuǎn)速將自動(dòng)降低，從而減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長(zhǎng)了泵和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命。

4)因?qū)崿F(xiàn)恒壓自動(dòng)控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了操作員的勞動(dòng)強(qiáng)度，也節(jié)省了人力。

5 結(jié)語

采用PLC、PID儀表和變頻器的變頻恒壓供水系統(tǒng)，能根據(jù)管網(wǎng)壓力變化，自動(dòng)控制多臺(tái)水泵工頻、變頻切換以及變頻泵的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。工程實(shí)踐表明，這一系統(tǒng)具有降耗節(jié)電、延長(zhǎng)水泵電機(jī)使用壽命、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，值得推廣。