水泵機組全自動(dòng)變頻調壓PLC控制系統設計運行總結

1 引言

      汕頭市澄海區第一水廠(chǎng)送水泵房共有六臺送水機泵，包括55kW、75kW、110kW三種不同功率的機泵各兩臺。由于用戶(hù)用水量具有一定的隨機性，如果只靠啟動(dòng)和停止機泵來(lái)保持供水壓力，這樣很難滿(mǎn)足隨時(shí)變化的供水要求。據統計分析，在水廠(chǎng)的生產(chǎn)成本中，送水機泵運行用電成本占了很大的比例。為降低電耗，保證供水質(zhì)量，受用戶(hù)委托對送水泵房水泵機組實(shí)施全自動(dòng)變頻調壓PLC控制。全自動(dòng)變頻調壓PLC控制系統主要采用變頻調速技術(shù)，它具有恒定水壓，降低能耗等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，是一項集現代先進(jìn)電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)于一體的高效節能技術(shù)。

2 全自動(dòng)變頻調壓PLC控制系統介紹

      全自動(dòng)變頻調壓PLC控制系統主要由一套可編程控制器PLC和一臺變頻器組成。PLC對管道壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并與壓力設定值進(jìn)行比較，根據壓力偏差值由PID閉環(huán)控制算法得出一調節參量，控制變頻器輸出頻率從而控制水泵電機轉速，以及根據壓力差值的大小等條件自動(dòng)選定工作機泵的類(lèi)型和數量，使管網(wǎng)壓力與設定壓力一致。

      根據工藝要求，為達到既降低電耗，又避免頻繁啟停機泵，選擇110kW的機泵與變頻器組成調速泵，其余機泵作為定速泵。在一臺變頻器下的兩臺110kW的機泵加裝電氣互鎖控制，防止兩水泵同時(shí)運轉。

      系統兼有手動(dòng)和自動(dòng)操作功能，可根據不同的需要，選擇不同的工作方式。手動(dòng)時(shí)，頻率輸出由變頻器的操作器設置，自動(dòng)時(shí)，頻率輸出由PLC根據管道壓力自動(dòng)調節。

3 全自動(dòng)變頻調壓PLC控制系統特點(diǎn)

(1)自動(dòng)控制水泵轉速

      實(shí)時(shí)讀入管網(wǎng)壓力值，與設定值比較，由PID控制算法得出一調節參量，控制變頻器輸出頻率，從而控制調速泵的轉速，實(shí)現恒壓供水。

(2)自動(dòng)運行泵的類(lèi)型和臺數

      當用水量較少時(shí)，調速泵調頻變速工作，保持干管水壓恒定。當用水量超過(guò)調速泵的工頻流量，水壓降低時(shí)，變頻器先把頻率降低到70％，控制調速泵運轉，同時(shí)PLC增開(kāi)定速泵，泵的類(lèi)型和數量可以根據當前的壓力差和用水量的歷史曲線(xiàn)決定，增開(kāi)定速泵后，調速泵的運行頻率則根據壓力差進(jìn)行調整，使干管壓力接近設定值。如當用水量減少時(shí)，變頻器降低調速泵的運行頻率，當頻率降低到40%時(shí)，相應地關(guān)閉定速泵，然后調整調速泵的頻率，使干管壓力接近設定值；停泵時(shí)，根據當前的壓力差和用水量的歷史曲線(xiàn)決定所停的泵的類(lèi)型和數量。當水壓達不到要求，系統在開(kāi)停泵時(shí)都應采取延時(shí)處理，避免出現在短時(shí)間內頻繁切換機泵的情況。

(3)最大限度利用原有設備，減低投資成本。

4 全自動(dòng)變頻調壓PLC控制系統變頻調壓的節能原理

      為適應用戶(hù)用水量的變化，調節出水流量，現通常采用兩種方法來(lái)完成流量的連續調節。一種是利用控制閥或節流閥進(jìn)行節流，以改變出水流量；另一種是泵的調速控制，調節泵的轉速來(lái)改變出水流量。圖l為水泵調速時(shí)的全揚程特性(H—Q)曲線(xiàn)。

      用閥門(mén)控制時(shí)，當流量要求從Q0減小到Q1，必須降低閥門(mén)開(kāi)度。這時(shí)閥門(mén)的磨擦阻力變大，阻力曲線(xiàn)從R移到R’，揚程則從H0上升到Hl，運行工況點(diǎn)從A點(diǎn)移到B點(diǎn)。

      用調速控制時(shí)，當流量要求從Q0減小到Q1，由于阻力曲線(xiàn)R不變，泵的特性取決于轉速。如果把速度從N100降到N80，運行工況點(diǎn)則從A點(diǎn)移到C點(diǎn)，揚程從H0下降到H2。

根據離心泵特性曲線(xiàn)公式：

P=QHr／102η (1)

式中：P——水泵使用工況軸功率(kW)；Q——使用工況點(diǎn)的水壓或流量(m3／s)；H——使用工況點(diǎn)的揚程(m)；r——輸出介質(zhì)單位體積重量(kg/m3)；η——使用工況點(diǎn)的泵效率(％)可得出運行在B點(diǎn)泵的軸功率和C點(diǎn)泵的軸功率分別為：

      由(4)式看出，用閥門(mén)控制流量時(shí)，有△P功率被損耗浪費掉了，且隨著(zhù)閥門(mén)不斷關(guān)小，這個(gè)損耗還要增加。而用轉速控制流量時(shí)，根據流量Q、揚程H、功率P和轉速N之間的關(guān)系，有：

      由(5)式可知，流量Q與轉速N的一次方成正比；揚程H與轉速N的平方成正比；軸功率P與轉速N的立方成正比，即功率與轉速成3次方的關(guān)系下降。如果不是用降低閥門(mén)開(kāi)度的方法，而是把電機轉速降下來(lái)，那么在同樣流量的情況下，原來(lái)消耗在閥門(mén)阻力的功率就可以避免，從而獲得圖l中BC區域大小的節能效果。本全自動(dòng)變頻調壓PLC控制系統選擇的調速泵的功率為P=llOkW，額定轉速為n=1450r／m，從表l可以觀(guān)察所需功率和轉速的關(guān)系。

      據統計分析，泵大部分工作時(shí)間是運行在60%到80%的負載工作點(diǎn)上。由上表可以看出，60％和80％的負載工作點(diǎn)上所需的功率相當于以額定轉速工作時(shí)功率的51．2％和21．6％。所以采用變頻調速控制泵的流量，理論上可以節約40%的電耗。

5 全自動(dòng)變頻調壓PLC控制系統投資效果

汕頭市澄海區第一水廠(chǎng)送水泵房安裝實(shí)施了全自動(dòng)變頻調壓PLC控制系統后，投資效果非常明顯。主要體現在以下幾個(gè)方面：

(1)節能效果非常顯著(zhù)，而且生產(chǎn)工藝穩定，可產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益。

      根據用戶(hù)統計，月平均節約電能30000kWh，按工業(yè)電價(jià)0．67元／kWh計，每月可以產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益2萬(wàn)余元，具有明顯的經(jīng)濟效益。

(2)延長(cháng)設備壽命，降低維修費用。由于電機水泵的轉速普遍下降，運行狀況明顯改善。變頻器啟動(dòng)和調速平穩，這減少了對電網(wǎng)的沖擊。同時(shí)叵壓供水對管網(wǎng)不會(huì )造成經(jīng)常性的強烈沖擊，對管網(wǎng)起了很好的保護作用。這些都對延長(cháng)設備的使用壽命，降低設備的維修費用有積極的意義。

(3)改善工作環(huán)境，降低設備故障的可能性。采用變頻調速技術(shù)后，由于水泵出口閥全開(kāi)，消除了閥門(mén)因節流而產(chǎn)生的噪音，改善了工人的工作環(huán)境。同時(shí)，克服了平常因調節閥故障對生產(chǎn)帶來(lái)的影響，具有顯著(zhù)的社會(huì )效益。

(4)提高設備工作穩定性。系統采用閉環(huán)控制，參數超調波動(dòng)范圍小，偏差能及時(shí)進(jìn)行控制。變頻器的加速和減速可根據工藝要求自動(dòng)調節，控制精度高，能保證生產(chǎn)工藝穩定，提高了供水的質(zhì)量和產(chǎn)量。而且變頻調速器具有十分靈敏的故障檢測、診斷、數字顯示功能，提高了電機水泵運行的可靠性。

6 結語(yǔ)

      汕頭市澄海區第一水廠(chǎng)全自動(dòng)變頻調壓PLC控制系統投入運行4年來(lái)，用戶(hù)的使用經(jīng)驗表明，系統具有調速性能好、節能效果顯著(zhù)、運行工藝安全可靠、改善操作人員操作環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。在大力提倡節約能源的今天，推廣使用這種集現代先進(jìn)電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)于一體的高科技節能裝置，對于提高水廠(chǎng)生產(chǎn)率、降低能耗、降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟效益具有重大的現實(shí)意義。