浅谈自来水厂水泵变频器节能改造

发布时间：2025-01-11 23:24

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浅谈自来水厂水泵变频器节能改造

发表时间：2020/9/29 来源：《基层建设》2020年第14期作者：凌其勋

[导读] 摘要：随着国家节水节能技术的发展以及理论的完善，当前自来水厂水泵变频技术也得到极大转变，在自动化、省力化、节能和提高产品的质量等方面都明显提升。

        凭祥市水厂;身份证号码：45210119771030XXXX
        摘要：随着国家节水节能技术的发展以及理论的完善，当前自来水厂水泵变频技术也得到极大转变，在自动化、省力化、节能和提高产品的质量等方面都明显提升。本文以自来水厂的水泵变频器为例，对水泵变频器节能的原理进行了分析，对变频器的节能改造工艺进行了深入探讨。
        关键词：自来水厂；水泵变频器；节能改造；运行转速
        自来水厂为居民生活用水提供保障。在自来水厂的实际生产中，需要借助水泵变频器进行取水、送水等。在当前节能减排的要求下，自来水厂水泵变频器除了保证取水及送水的流量外，还应满足节能要求，进而促进自来水厂的可持续发展，因此水泵变频器的作用十分关键。
        1 变频器
        1.1变频器的概念
        变频器，指一种电力设备控制装置，它的定义是：一种可以对电源电压进行调整，对电流频率进行改变的电气设备。变频器是科学发展下，变频技术与电子技术的结合产物。过去的变频器在使用时多被包含在电动发电机等电气设备中，并不能独立进行作业，而伴随着科学技术的发展以及半导体电子设备的出现，今天的变频器在使用时已经可以完全脱离各种电气设备，单独进行使用。目前，变频器被广泛应用于工业设备和家用电气设备中。
        1.2 变频器的应用特点
        变频器的应用范围比较广泛，当其应用于工业设备或电气设备中时，可以起到良好的节电节能作用。供水行业使用变频器的目的是为了避免和解决供水故障，从而达到提高水厂供水质量水平的目的。总的来说，变频器的应用特点主要有：其对电能的耗损率极低，且还可以将某些因用量变化而浪费的电能储存与节约下来，在节约电能的同时，也提高了电能的利用率；由于其具有调整电源电压，改变电流频率方式的功能，因此在应用时它可以有效提高水厂的供水效率，并且可以根据用水季节的不同而自动调整电流频率，实现平衡管网供水水压的功能；此外，变频器的使用还可在一定程度上降低供水系统中设备的损耗率，减少机械运作期间的噪音，在满足了水厂生产工艺要求的基础上，还可有效改善生产车间的劳动环境。
        2 水泵变频调速节能原理分析
        在大多数改建、新建的自动化水厂泵房中，都配备了变频器，在改善工艺的同时，进一步降低能耗。在这过程中，变频器控制方式与PLC、手动运行模式基本上一致，通过控制箱就能现场切换。在水厂泵房送水中，通过PLC自控系统以及PID调节，不仅能让变频器进行自动调速，还能保障恒压供水，即使在无人值守的泵房，也能进一步提高水厂生产效率与安全性。在变频器取水中，通过PID以及PLC调节，不仅能让变频器实现自动调速，还能让清水始终处于稳定的状态，在无人值守的泵房中，进行优质、高效的供水。在自动化水泵房控制设计中，通常由清水位控制送水泵房压力控制和变频器频率，通过改变送水泵房变频器工作状态，影响水压力。在清理水池时，时间滞后影响尤为突出，同时还会絮凝池、平流池、滤池水流量对水位的影响也很大。因此，用清水池水位对水泵房机组节能的方法对节能改造没有太理想的效果。水泵的特点是其负载转矩与转速的平方成正比，其轴功率与转速的立方成正比：

        式中no为基准(额定)转速；n为运行转速；Qo为no时的流量；Ho为no时的扬程IH为13。时的扬程；Po为no时的功率；P为n时的功率。但是对于实际的泵负载，通常存在一个与高低差有关的实际扬程，在进行变频调速运行时必须注意。泵的H—Q特性如图1和如图2所示。

        由图1可见实际的运行点由管路阻抗曲线与H—Q特性的交点决定。例如80％时的运转点不在C点，而在D点。轴功率也要考虑同样的问题，即工作点不是与转速立方曲线直接相交。亦即当扬程越大，在相同的转速下(此处为80％)流量减少的比例增大，使转速调节范围变窄，从而使节能效果变小。

        图3泵的P—Q特性
        下面把阀门控制与转速控制的节能效果作比较。在图1中，当流量从1.0变为0.5时，对于阀门控制，通过关小阀门使阻抗曲线从R1变为R2。则工作点由A点转移到B。若改用转速控制，则在同一条阻抗曲线R1上从A点转移到D点。在图2所示的P—Q特性上轴功率的变化可见，在阀门控制时由100％转速的A点转移到B；而转速控制时，在由实际扬程决定的功率特性上由A转移到D，与阀门控制相比可获得相当于BD大小的节电效果。图3所示为采用变频调速时。轴功率随实际扬程ha变化的实例。图中显示出，实际扬程越小，轴功率越接近理想的立方关系曲线，由于调速而产生的节电效果也越大。因此，将电机以定速运转、以阀门调节流量的方法。改用根据流量需要来调节电机的转速就可获得节电效果。自来水厂的水泵随时要向供水系统中补充供水，但由于不同季节、不同时段的用水量是不同的，因此需要补充的流量、系统所需压力也不相同。过去是用改变阀门的方法调节水的流量和压力(扬程)，既麻烦又浪费能源，还产生了较多的机械损耗，成本较高。
        根据管道所需的流量和压力来调节电机速度，控制流量和压力。可达到节能的目的。自来水厂水泵因为需要随时为供水系统补充水，但受不同的季节及时段用水量较大差异的影响，用水量差异会使得供水系统水流量补充造成影响。为了对水流量及供水压力进行控制，往常一般采取阀门控制水流量的方法，但是这种控制方法往往需要人为进行操作，操作比较烦琐，且还会产生较多机械损耗，这样会使得维修及控制成本上升。如果应用变频器进行流量及压力控制，则可以依照流量补充所需对电机的速度进行控制，从而保证控制的有效性，又能够实现电机节能。
        3水泵变频器节能改造的工艺要求分析
        在自来水厂水泵变频器节能改造中，变频器一般使用远程控制与本地控制相结合的方式进行。其中远程控制又包括压力负反馈和频率控制，一般频率调节都在0-50HZ之间。而直接频率控制和压力负反馈远程控制都有PLC进行选择，在运行过程中，也可以根据变频器具体的控制方式选择。本地控制是对面板进行的控制，控制方式调整成LOCAL；在频率调节时，通过手动频率控制，进而保障出厂压力与流量。在对自来水厂变频器改造中，为了保障改造质量，必须根据节能目标满足基本的节能要求，在这过程中，价格合理尤为重要；其次是水泵必须达到高强度的连续、可靠运转，进而保障系统由工频到变频，以及由变频到工频之间的转换，一旦出现瞬时停电现象，通过自动再启动的系统就能正常运行。
        在外部接线以及变频器选型中，一般选用风机、水泵类专用的变频器，用PLC进行控制。在变频器接线中，水泵运行中的管压会直接影响水泵运行状况。在变频器接线中，电机转向和电源相序连接没有直接关系，一般根据电机连接的方式达到电机转向。在这过程中，需要注意的是：电机端和电源端绝对不能反按，否则就会损坏变频器。对于电源开关、KMl接触器、QF容量则根据自来水厂水泵变频器具体要求选择。通过在变频器上安装功率表、电压表、功率因素表、电流表等模拟类电表，对电机进行细致的监控；对于CM、FWD、C1V1等继电器连接，通常使用灵敏度很高的微型双触点继电器。在频率设置中，可以根据流量、压力对其进行手动切换，为了转换功率因素，必须安装DK线圈，设置报警电路，一旦出现故障，通过声光就能达到报警效果。
        4 变频技术与变频器在水厂供水中的应用
        交流电动机变频调速技术尤其是计算机控制技术的成熟使得PLC和变频调速结合得更加紧密，能够为水厂发挥的积极作用更加明显。水厂供水变频调速系统具有操作简单、高可靠性、高抗干扰性、供水压力恒定以及节能高效的优势；同时，借助于对该系统的更深入应用，水厂可以实现无人值守；另外，该系统可以实现多台水泵的软启动以及软停车，将传统操作方式容易导致的管网水锤效应降到最低；借助于网络通信技术，能够实现对水泵机房的远程数据维护和远程控制，拓展变频器的操作灵活性并提高其工作可靠性。
        4.1 PLC控制系统的优化与改善
        供水变频调速系统主要包括现场控制层、控制主干层以及管理层三个部分。若系统采用DCS(分布式控制系统)结构，实现难度比较低。DCS的控制模式采用“分散控制、集中管理”的多级控制模式，功能虽然分散，但是系统的可靠性得到了提高，水厂的控制主干层通讯利用以太网进行。另外，现代化管理的发展趋势也应该是水厂当前需要考虑的重要问题：水厂的管理网络应该包括中心控制室的计算机系统，另外，为了能够实现数据共享，水厂采集的各种数据都被输入到管理网络系统的服务器当中；生产数据和管理数据均被存放于同一个数据库当中，并能够对水厂的实际运行情况进行实时监视；另外服务器采用双硬盘配置，提高了数据安全性；客户端和服务器采用100Mb网卡，提高信息的传输速度。
        4.2 变频技术与变频器可在水厂供水中的应用
        变频技术与变频器具有非常高的节电率，其节能降耗效果显著，不仅能够节省水厂冗余设计所导致的资源浪费，而且还因为功率因数和调速精度高等获得更加良好的运行效益。变频技术可在减低设备与物料的损耗、降低机械噪声和损耗的同时，也能够有效提高供水的质量与数量，满足生产工艺的动态要求。
        4.3 变频调速系统的运行情况
        变频调速系统为全天候连续不间断运行，当系统运行在工频状态下，泵口实际压力值远离给定值时，启动一台工频机组，满足用水量要求。此时，通过变频系统的调节，出水流量满足用水流量要求。水泵泵口压力给定值的设定，是根据四季用水流量需求曲线和全天用水需求曲线历史数据分析产生。城市供水管网正常运行时，变频系统按给定值闭环运行；当城市管网出现异常，在上位机上可实时改变给定值，满足供水需求。通过变频调速系统5年来的运行，明显的降低了千吨水电耗，经测算(除去维修保养时间以年运行340天计，每天节约1440kw，1年节约电能约49×104kW•h，大幅减少了工频电机的启停次数，降低了泵房工作人员的工作强度，泵口压力曲线趋于平滑，消除了因管网压力过高引起的爆管，降低了管网运行时的漏失水量。为实现全自动恒压供水提供了有效的数据积累。
        5自来水厂水泵变频器节能改造工艺
        5.1 基本工艺要求
        为了满足节能以及供水的要求，要求自来水厂的供水系统满足以下几个基本的工艺要求：①满足实际节能的相关要求，变频器的价格便宜；②水泵能够持续高效运转；③变频器能够满足从工频向变频、从变频向工频之间的相互转换；④水泵变频器应该具备自动启动功能，主要是为了应对自来水厂出现瞬时停电的情况。
        5.2 水泵变频器集成工艺
        以某自来水厂供水系统为例，在供水系统中总共配备了三台水泵，每台水泵容量均为75kW，其中，两台水泵用于平常的生产，一台水泵满足高峰期用水需求。系统功能的实现：三台水泵均要具备调速以及定速的功能，这样为主副机交换工作提供帮助，在实际运行过程中，变频器只能够控制一台水泵。所以，为了保证主副机转换的顺利进行，水泵可以采取相互连锁的形式来实现逻辑电力控制，这样在实际中就可以自由转换水泵，实现水泵的变频控制。自来水供水系统具体运作时，两台水泵采取工频供电的方式进行正常工作，一台水泵连接变频器，当水泵从变频控制转变为工频控制，要保证电机维持5s的定速运行，之后接触器方可合闸，这样主要避免过电压对电机造成影响。为了满足实际生产需求，电机控制、保护以及检测单元通常集中在某一个控制柜当中。
        5.3 水泵变频器接线
        在水泵运行过程中，主要以管压进行定量控制，不同管压下水泵的运行有一定的差异。如果管压大于0.8，则水泵中的一台电机为定速运行，另一台为变速运行，留下一台作为备用电机；管压小于0.64，只需一台电机做变速或者定速运行，两台作为备用电机；而管压小于0.52，仅仅只需一台电机进行变速运行，其余两台为备用，如何确定电机运行工况主要根据流量-压力传感器进行分析，通过函数发生器转变成控制信号，启动相应的电机或者阀门。
        5.4 变频器接线
        变频器电源侧连接与电机的具体转向并没有联系，电机的转向主要受控制器联系。连接过程中，需要特别注意的问题是要明确电源端及电机端方向一致，如果连接方向相反，则会对变频器的运作造成巨大影响；在变频器控制柜上，安装了多个功能电表，电表的主要作用是对电机运行情况进行落实，对于控制端所连接的控制继电器，选择双触电微型继电器这一灵敏度比较高的电气，这主要保证水泵运行中能够依据压力大小切换到合适的流量。在变频器中还需要装设DK电抗线圈对控制系统功率参数进行控制；同时，为了及时发现突发情况，变频器内部需设有报警器，出现突发情况可通过报警器提示；三台电机应该都安装了独立的过载保护，避免电机过载运作，进而引起电路损坏。
        6自来水厂水泵变频器的节能效果
        自来水厂安装水泵变频器能够使水泵电机的工作电流从110A下降到60～90A，这样使得电机升温并不明显，降低电机的损耗以及维修成本，延长电机的使用寿命。利用水泵变频器能够消除电机因为过载运作或单相运行而造成的电机烧坏，这样可以保证自来水厂的安全生产及运作。以自来水厂一台功率为75kW的电机年运行节能为例，使用水泵变频器后一年能够节约247000kW•h的电费，每年可以节约15万元的电费，按照这一节能效果，两年之内就可以将前期用于增加变频器的成本回收。同时，值得一提的是，水泵变频器常常集供水控制及管理于一体，这样对提高自来水厂的生产效率有重要帮助。
        7 结束语
        综上所述，在自来水厂的实际生产中，应用水泵变频器能够收获良好的节能效果，同时，对自来水厂的安全生产也有重要的意义。因此，实际的工作中，应该充分结合自来水厂的实际要求，从变频节能方向出发进一步优化水泵的技能效果，在保证水压稳定的同时，使得水厂实现节能降耗，保证自来水厂的安全生产，进而促进自来水厂的可持续发展。
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