變頻器在變頻供水改造系統中的節能實(shí)用方案
2013-7-15 13:38:19??????點(diǎn)擊：
變頻器在變頻供水改造系統中的節能實(shí)用方案
一．變頻供水改造系統概述
由水泵的工作原理可知：水泵的流量與水泵電機的轉速成正比，水泵的揚程與水泵電機的轉速的平方成正比，水泵的軸功率等于流量與揚程的乘積，故水泵的軸功率與水泵（電機）的轉速的三次方成正比（即水泵的軸功率與供電頻率的三次方成正比）。如下表圖一所示：
根據上述原理可知改變水泵的轉速就可改變水泵的功率。
例如：將供電頻率由50HZ降為45HZ，則P45/P50=453/503=0.729，即P45=0.729P50
將供電頻率由50HZ降為40HZ，則P40/P50=403/503=0.512，即P40=0.512P50，依上述公式計算。
變頻供水改造系統在設計時(shí)是按現場(chǎng)最大供水需求（及最大工況）來(lái)考慮的，供水水泵的運行工況也相同，即按單機的最大供水需求量來(lái)考慮的；在實(shí)際使用中有很多時(shí)間水泵都需要根據實(shí)際工況進(jìn)行調節，傳統的做法是用開(kāi)停補（減）泵及開(kāi)關(guān)閥門(mén)的方式進(jìn)行調節，用開(kāi)停補（減）泵會(huì )有啟動(dòng)沖動(dòng)電流，開(kāi)關(guān)閥門(mén)進(jìn)行調節增大了系統的節流損失，且對系統本身的調節也是階段性的，調節速度緩慢，減少損失的能力很有限也使整個(gè)系統工作在波動(dòng)狀態(tài)，對于供水系統超壓爆管這類(lèi)故障幾乎無(wú)能為力。
而通過(guò)在供水水泵加裝變頻調速器裝置，則可以一勞永逸的解決好這個(gè)問(wèn)題，可實(shí)現自動(dòng)調節控制，可使系統工作狀態(tài)平緩穩定，并可通過(guò)變頻節能收回投資。變頻節能的效果是十分顯著(zhù)的，特別是調節范圍大的系統及設備，通過(guò)上表及圖一可以直觀(guān)的看出在流量變化時(shí)只要對轉速（頻率）稍作改變就會(huì )使水泵軸功率有更大程度上的改變，就因有此特點(diǎn)使得變頻調速方式成為一種趨勢，并且不斷深入的應用于各行業(yè)及各種調速領(lǐng)域。
二.變頻供水改造系統的改造方案介紹下面對陜西某廠(chǎng)的供水系統做一介紹，該廠(chǎng)供水系統裝機清單如下
根據變頻供水改造系統的實(shí)際裝機情況我們在供水系統各裝二套傳動(dòng)之星風(fēng)機水泵型SD-YP變頻調速控制柜，其中1#變頻柜供兩臺55KW水泵切換（循環(huán)）使用；2#變頻柜供兩臺93KW水泵切換（循環(huán)）使用，兩套變頻調速控制柜共用一套自動(dòng)控制系統及中央電腦監控系統（工控機）（如圖二所示）
（1） 系統控制
整個(gè)系統控制信號，包括壓力設定信號，工頻和變頻故障信號處理，水位故障檢測處理均由主控PLC或監控電腦設定，上位機監控系統主要通過(guò)中央電腦監控系統（工控機）完成對工藝流程參數的檢測、各機組的協(xié)調控制以及數據的處理、分析等任務(wù)，下位機PLC主要完成數據采集，現場(chǎng)設備的控制及連鎖等功能。 對于整個(gè)系統的運行信號進(jìn)行綜合，尤其是當出現故障狀態(tài)時(shí)的系統處理操作，是整個(gè)系統的核心控制部分。
（2） 變頻器內部控制
變頻器內部控制及功能，主要是指變頻器內部PID功能模塊，內部PID功能使現場(chǎng)技術(shù)員設置和調試方便，相對于原來(lái)的硬件PID板控制，省去了硬件維護需要，節省了成本。主控環(huán)節的壓力設定信號與系統壓力信號反饋形成閉環(huán)以維持管網(wǎng)恒定壓力（簡(jiǎn)稱(chēng)閉環(huán)控制）。變頻器還具有休眠功能，內置RS485或RS232通訊接口，采用聯(lián)機控制。
（3） 電機控制
本方案的控制方式將按恒壓供水系統的通用自動(dòng)功能進(jìn)行設計。
變頻供水改造系統是在保留原有工頻系統的基礎上加裝的，（SD-YP）風(fēng)機水泵型變頻器本身就還具有工頻、變頻轉換功能，變頻節能系統的聯(lián)動(dòng)控制功能與原工頻系統的聯(lián)動(dòng)控制功能相同，變頻節能系統與原工頻系統之間要設置聯(lián)鎖以確保系統工作安全。
（4）系統執行控制
用壓力傳感器對供水系統母管（供水管道）出口的水壓進(jìn)行采樣，轉換成電量信號后送至PID控制器，控制器將該信號與設定值進(jìn)行比較運算后輸出一類(lèi)比信號（一般為4—20MA、0—10V）給變頻器，變頻器根據該類(lèi)比信號決定其輸出頻率，改變水泵轉速并調節供水壓力（供水量）以達到恒壓供水的目的（如圖三所示）。
（5）PLC硬件設計
PLC選用PLC-VB系列產(chǎn)品,水泵M1、M2、M3、M4、可變頻運行，也可工頻運行，需要PLC的四個(gè)輸出信號控制，變頻器的運行與關(guān)斷全由PLC的一個(gè)輸出信號控制，變頻器極限頻率的檢測信號占用PLC的一個(gè)輸入點(diǎn)，設定水壓的上、下限壓力值，當管網(wǎng)壓力處于上、下限位置時(shí)，傳感器分別輸出頻率檢測信號進(jìn)入PLC的兩個(gè)輸入點(diǎn)，與變頻器一起實(shí)現。保證管網(wǎng)的壓力平穩。三．供水系統壓力的保障
變頻供水改造系統的變頻節能系統在實(shí)際使用中要考慮水泵的轉速與揚程的平方成正比的關(guān)系，以及水泵的轉速與管損平方成正比的關(guān)系；在水泵的揚程隨轉速的降低而降低的同時(shí)管道損失也在降低，因此，系統對水泵揚程的實(shí)際需求一樣要降低；而通過(guò)設定變頻器下限頻率的方法又可保證系統對水泵揚程的最低需求。供水壓力的穩定和調節量可以通過(guò)PID參數的調整。當供水需求量減少時(shí)，管道壓力逐漸升高，內部PID調節器輸出頻率降低，當變頻器輸出頻率低至0HZ時(shí)，而管道在一設定時(shí)間內還高于設定壓力，變頻器切斷當前變頻控制泵，轉而控制下一個(gè)原工頻控制泵，變頻器在水泵控制轉換過(guò)程中，逐漸輪換使用水泵，使每個(gè)水泵的利用率均等，增加系統、管道壓力的穩定性和可靠性。四．傳動(dòng)之星變頻器在變頻供水改造系統的特點(diǎn)
根據上述原理可知改變水泵的轉速就可改變水泵的功率。
例如：將供電頻率由50HZ降為45HZ，則P45/P50=453/503=0.729，即P45=0.729P50
將供電頻率由50HZ降為40HZ，則P40/P50=403/503=0.512，即P40=0.512P50，依上述公式計算。
變頻供水改造系統在設計時(shí)是按現場(chǎng)最大供水需求（及最大工況）來(lái)考慮的，供水水泵的運行工況也相同，即按單機的最大供水需求量來(lái)考慮的；在實(shí)際使用中有很多時(shí)間水泵都需要根據實(shí)際工況進(jìn)行調節，傳統的做法是用開(kāi)停補（減）泵及開(kāi)關(guān)閥門(mén)的方式進(jìn)行調節，用開(kāi)停補（減）泵會(huì )有啟動(dòng)沖動(dòng)電流，開(kāi)關(guān)閥門(mén)進(jìn)行調節增大了系統的節流損失，且對系統本身的調節也是階段性的，調節速度緩慢，減少損失的能力很有限也使整個(gè)系統工作在波動(dòng)狀態(tài)，對于供水系統超壓爆管這類(lèi)故障幾乎無(wú)能為力。
而通過(guò)在供水水泵加裝變頻調速器裝置，則可以一勞永逸的解決好這個(gè)問(wèn)題，可實(shí)現自動(dòng)調節控制，可使系統工作狀態(tài)平緩穩定，并可通過(guò)變頻節能收回投資。變頻節能的效果是十分顯著(zhù)的，特別是調節范圍大的系統及設備，通過(guò)上表及圖一可以直觀(guān)的看出在流量變化時(shí)只要對轉速（頻率）稍作改變就會(huì )使水泵軸功率有更大程度上的改變，就因有此特點(diǎn)使得變頻調速方式成為一種趨勢，并且不斷深入的應用于各行業(yè)及各種調速領(lǐng)域。
二.變頻供水改造系統的改造方案介紹下面對陜西某廠(chǎng)的供水系統做一介紹，該廠(chǎng)供水系統裝機清單如下
根據變頻供水改造系統的實(shí)際裝機情況我們在供水系統各裝二套傳動(dòng)之星風(fēng)機水泵型SD-YP變頻調速控制柜，其中1#變頻柜供兩臺55KW水泵切換（循環(huán)）使用；2#變頻柜供兩臺93KW水泵切換（循環(huán)）使用，兩套變頻調速控制柜共用一套自動(dòng)控制系統及中央電腦監控系統（工控機）（如圖二所示）
（1） 系統控制
整個(gè)系統控制信號，包括壓力設定信號，工頻和變頻故障信號處理，水位故障檢測處理均由主控PLC或監控電腦設定，上位機監控系統主要通過(guò)中央電腦監控系統（工控機）完成對工藝流程參數的檢測、各機組的協(xié)調控制以及數據的處理、分析等任務(wù)，下位機PLC主要完成數據采集，現場(chǎng)設備的控制及連鎖等功能。 對于整個(gè)系統的運行信號進(jìn)行綜合，尤其是當出現故障狀態(tài)時(shí)的系統處理操作，是整個(gè)系統的核心控制部分。
（2） 變頻器內部控制
變頻器內部控制及功能，主要是指變頻器內部PID功能模塊，內部PID功能使現場(chǎng)技術(shù)員設置和調試方便，相對于原來(lái)的硬件PID板控制，省去了硬件維護需要，節省了成本。主控環(huán)節的壓力設定信號與系統壓力信號反饋形成閉環(huán)以維持管網(wǎng)恒定壓力（簡(jiǎn)稱(chēng)閉環(huán)控制）。變頻器還具有休眠功能，內置RS485或RS232通訊接口，采用聯(lián)機控制。
（3） 電機控制
本方案的控制方式將按恒壓供水系統的通用自動(dòng)功能進(jìn)行設計。
變頻供水改造系統是在保留原有工頻系統的基礎上加裝的，（SD-YP）風(fēng)機水泵型變頻器本身就還具有工頻、變頻轉換功能，變頻節能系統的聯(lián)動(dòng)控制功能與原工頻系統的聯(lián)動(dòng)控制功能相同，變頻節能系統與原工頻系統之間要設置聯(lián)鎖以確保系統工作安全。
（4）系統執行控制
用壓力傳感器對供水系統母管（供水管道）出口的水壓進(jìn)行采樣，轉換成電量信號后送至PID控制器，控制器將該信號與設定值進(jìn)行比較運算后輸出一類(lèi)比信號（一般為4—20MA、0—10V）給變頻器，變頻器根據該類(lèi)比信號決定其輸出頻率，改變水泵轉速并調節供水壓力（供水量）以達到恒壓供水的目的（如圖三所示）。
（5）PLC硬件設計
PLC選用PLC-VB系列產(chǎn)品,水泵M1、M2、M3、M4、可變頻運行，也可工頻運行，需要PLC的四個(gè)輸出信號控制，變頻器的運行與關(guān)斷全由PLC的一個(gè)輸出信號控制，變頻器極限頻率的檢測信號占用PLC的一個(gè)輸入點(diǎn)，設定水壓的上、下限壓力值，當管網(wǎng)壓力處于上、下限位置時(shí)，傳感器分別輸出頻率檢測信號進(jìn)入PLC的兩個(gè)輸入點(diǎn)，與變頻器一起實(shí)現。保證管網(wǎng)的壓力平穩。三．供水系統壓力的保障
變頻供水改造系統的變頻節能系統在實(shí)際使用中要考慮水泵的轉速與揚程的平方成正比的關(guān)系，以及水泵的轉速與管損平方成正比的關(guān)系；在水泵的揚程隨轉速的降低而降低的同時(shí)管道損失也在降低，因此，系統對水泵揚程的實(shí)際需求一樣要降低；而通過(guò)設定變頻器下限頻率的方法又可保證系統對水泵揚程的最低需求。供水壓力的穩定和調節量可以通過(guò)PID參數的調整。當供水需求量減少時(shí)，管道壓力逐漸升高，內部PID調節器輸出頻率降低，當變頻器輸出頻率低至0HZ時(shí)，而管道在一設定時(shí)間內還高于設定壓力，變頻器切斷當前變頻控制泵，轉而控制下一個(gè)原工頻控制泵，變頻器在水泵控制轉換過(guò)程中，逐漸輪換使用水泵，使每個(gè)水泵的利用率均等，增加系統、管道壓力的穩定性和可靠性。四．傳動(dòng)之星變頻器在變頻供水改造系統的特點(diǎn)
1．穩定整個(gè)系統的正常運行，抗干擾能力強；
2．實(shí)現了電機的軟啟動(dòng)，延長(cháng)了設備的使用壽命，避免了對電網(wǎng)的沖擊；
3．內置PID功能，可接受多種給定、反遺信號；
4．具有節電、市電和停止三位鎖定開(kāi)關(guān)，便于轉換及管理；
5．保護功能完善，可遠程控制；
6．操作簡(jiǎn)單，具有鍵盤(pán)鎖定功能，防止誤操作；
7．超靜音優(yōu)化設計，降低電機噪聲；
8．高效節能，投資回收快，環(huán)保效果顯著(zhù),可實(shí)現節電20%～40%。五．結語(yǔ)
變頻器的高性能和完善的功能，使其在各個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應用，其中變頻調速整置在各類(lèi)調速系統中使用時(shí)其節能效果對于單臺設備可做到10～60%，在風(fēng)機水泵這類(lèi)設備上的應用節能效果對于單臺設備可做到10～50%，在未受到其它因素的影響的情況下一般可取上限或根據壓力、流量來(lái)調節頻率，這些節能效果平均值是由實(shí)際數據再進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的投資回收率的計算可知：變頻節能裝置的投資加收期一般為4～15個(gè)月。
2．實(shí)現了電機的軟啟動(dòng)，延長(cháng)了設備的使用壽命，避免了對電網(wǎng)的沖擊；
3．內置PID功能，可接受多種給定、反遺信號；
4．具有節電、市電和停止三位鎖定開(kāi)關(guān)，便于轉換及管理；
5．保護功能完善，可遠程控制；
6．操作簡(jiǎn)單，具有鍵盤(pán)鎖定功能，防止誤操作；
7．超靜音優(yōu)化設計，降低電機噪聲；
8．高效節能，投資回收快，環(huán)保效果顯著(zhù),可實(shí)現節電20%～40%。五．結語(yǔ)
變頻器的高性能和完善的功能，使其在各個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應用，其中變頻調速整置在各類(lèi)調速系統中使用時(shí)其節能效果對于單臺設備可做到10～60%，在風(fēng)機水泵這類(lèi)設備上的應用節能效果對于單臺設備可做到10～50%，在未受到其它因素的影響的情況下一般可取上限或根據壓力、流量來(lái)調節頻率，這些節能效果平均值是由實(shí)際數據再進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的投資回收率的計算可知：變頻節能裝置的投資加收期一般為4～15個(gè)月。
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