变频调速在供水系统节能改造中的应用gai

1、变频调速在供水系统中的应用研究郁炜1汪家养2(1.衢州学院,浙江衢州3240002.浙江开关厂有限公司,浙江衢州 324000 摘要:通过分析某大型化工企业原供水系统耗能情况,介绍了现在采用PLC和变频调速技术的恒压供水控制系统,阐述了系统组成、系统功能、系统软件设计及变频调速节能原理和效果分析。该控制系统性能稳定可靠,取得了很好的恒压供水效果,节能效果显著。关键词:变频调速PLC 恒压供水节能Application of Frequency Conversion T echnique on Energy Saving Reformationof Water Supply SystemYU W

2、ei 1W ANG Jia-yang2(1.Quzhou College, Quzhou 324000,China2. Zhejiang Switchgear Factory Co., Ltd., Quzhou 324000, ChinaAbstract: Through analyzing the energy consumption disadvantages of original water supply systems of a large chemical plant, a kind of new constant pressure water supply system is i

3、ntroduced based on both PLC and frequency changer ,including the system structure, functions , system software design,and energy-saving principle and benefit .The control system has been applied successfully which can ensure the constant pressure of water-supply and the prominent effect of energy-sa

4、ving.Keywords: frequency control of motor speed PLC constant pressure water supply energy-saving0 引言某大型化工企业总用水量大,用水的高低峰不平衡程度严重,原有采用的水泵机组都是恒速运行的,水泵的出水流量也是恒定的,而用水流量是随工艺变化而变化的,为了保持蓄水池水位恒定在一定的液位,总出水管压力恒定,必须靠调节出口阀门来控制流量,造成压差大,泵体震动大,而且大量的电能浪费在阀门的阻力损失上,设备的保养维修费用也很高1。PLC和变频器的可靠性与灵活性已得到了用户普遍的认可,同时为响应国家节能降耗的号

5、召,公司进行了基于PLC和变频调速技术的恒压供水系统的改造。全自动变频调速恒水位供水系统是在吸收国内外先进技术基础上开发研制的新型供水设备,它是采用工业微机PLC,变频调速装置等对水泵机组进行闭环控制的机电一体化设备,该设备根据供水系统中流量、液位等参数的变化,通过自动控制系统和变频调速器自动调节水泵的转速和参数,始终保持高效节能的良好状态。1系统组成恒压供水控制系统构成如图1所示。供水系统由3台排江泵(75 kW、超音波液位计和变频器组成,变频器采用三菱变频器(FR-F540,其功率为75kW;控制系统中的PLC采用三菱FX2N系列的FX2N 80MR及模拟量输入卡FX2N4AD和输入输出通

6、讯模块(用于系统中的通讯功能,本文中不做介绍,另外还配有彩显触摸屏。本系统选用PLC作为主控单元,接收来自现场的信号,并通过编程对变频器及外部设备进行控制。水泵组有自动/手动控制,在自动方式下由水池的液面高度控制水泵的运行。在手动状态下,由操作人员在主控室,通过触摸屏进行远程操控、运行参数设定。各类参数可在触摸屏上实时显示,以便于操作人员了解实际的运行情况及操作。操作人员也可直接在现场的变频器上进行设置,操作及观察设备的运行状态。在触摸屏上可显示的参数有:蓄水池的液位,总出水管的压力,电机的运行频率,各水泵的运行情况等。水池液位的上限值、下限值和正常值等参数也可在触摸屏上设定。超音波液位传感器

7、把水池实际液位测出并转换为420mA标准信号送进PLC模拟量输入模块AI模块, PLC通过采样程序与设定值比较后,所得偏差经PID程序处理,转换为模拟量输出信号送给变频器,调节水泵电机转速,使水池液位回归设定值,从而出水管压力恒定,达到恒压供水的目的。系统还可通过PLC的实时时钟自动定时供水,用户在触摸屏上设定每天定时供水时段,比如8001700等,以便大修等特殊情况下的灵活控制。系统还有故障自诊断功能, 、液面波动判断、各泵发生过载、缺相、短路、传感器断线、传感器短路、水位超高、水位超低、变频器故障等,都会有声光报警,并同时停水泵,显示故障类型,通知设备维修人员处理。图2是系统中电机工频/变

8、频切换控制主回路原理图,其中M1、M2、M3分别是为三台排江泵所配的三相交流异步电动机,功率均为75KW,接触器KM1、KM2、KM3分别控制电机的工频运行,KM4、KM5、KM6分别控制电机的变频运行,KR1、KR2、KR3是对电机进行过载保护的热继电器,QF1 、QF2、QF3、QF4分别是三个电机和变频器的断路器,实现电气隔离和短路保护。 图1 控制系统构成简图 L1L2L3图2 工频/变频控制电气主回路原理图2系统功能系统为生产生活、消防两用供水设备。平时消防用水关闭,供水设备正常供给生产生活用水,当自动喷淋装置或消防栓用水时,水流指示器发出信号,控制器检测到该信号后,关闭生活用水电动

9、阀门,同时根据设定的消防用水液位值及流量要求启动数台泵向消防用水管道供水。2.1 运行准备当供电开关合闸后,触摸屏的电源指示灯亮,同时电压表指示电压值,并给液位传感器供电,手动/自动选择开关置于正确位置,为设备的运转做好准备。当选择开关置于手动位置时,按触摸屏上起动按钮,启动水泵在工频状态下运行,完全脱开PLC 及变频器的控制,该功能主要用在检修及自动系统出现故障时的应急供水方式中。自动方式是主要工作方式。当选择开关置于自动位置时,按触摸屏上起动按钮,延时几秒,变频器输出逐渐上升的频率和工作电压供给1号泵,使1号泵转速从0开始逐渐上升,实现电动机的软启动(见图3,水池液位升高,从而使总供水管道

10、内的水压逐渐上升,继续增加泵出水量,水池水位的大小由触摸屏上液位仪显示,当液位上升到给定的液位时,则电动机即在此相应的转速稳定旋转,达到系统的平衡(即保持恒水位。(1上行过程当出水管流量增大,上述电动机不能保持给定的水池水位,而平衡被破坏,则产生偏差。这时自动闭环控制系统(调节系统发出信号,使变频器的输出频率增加,则电机转速相应上升,泵出口流量也跟着上升以响应系统给定的水位,而达到新的平衡。当系统的流量进一步增加,此时1号泵已到50Hz,仍不能达到给定液位时,这时自动闭环系统发出上限信号,系统自动使1号泵转到工频运行,而2号泵在变频器控制下软启动,作变频调速运行,使系统达到平衡,依次下去到3号

11、泵,即开机顺序为:1#2#3#。 Q图3 三台泵交替工作示意曲线(2下行过程当系统流量减少时,变频运行的电动机通过自动闭环控制系统使其转速下降,达到新的平衡,以保证恒压。当流量进一步减少,变频运行的电动机的转速下降到极限仍不能保持给定压力时,自动闭环控制系统通过微机,能自动停止一台工频运行的电机,这时变频运行的电机立即响应到相应的转速以保持压力的恒定。并且能做到依次退出先启动运行时间长的电机,即停机顺序为:1#2#3#,实现先入先出,后入后出。自动运行时,全部泵的运行依程序自动工作,且水泵出口阀门与水泵可实现联动,即先开水泵开阀门关水泵关阀门。同理,如先开2#泵,则开停机顺序为:2#3#1#;

12、如先开3#泵,则开停机顺序为:3#1#2#机。3系统软件设计PLC做为系统的控制核心,选用三菱FX2N80MR。系统控制程序采用模块化结构,分别包括主程序和五个子程序,即:水泵电机控制程序,参数PID处理程序,电机、变频器、阀等故障报警处理程序,液位超上下限报警处理程序,以及通讯、数据处理程序。其中主程序流程图见图5。开始扫描电机、阀、传感器、变频器故障信号自动方式?液位、压力等参数初始化设定断开PLC 、变频器有故障信号么?电机、变频器、阀等故障报警处理程序液位超限?故障消除?参数PID 处理程序液位超上下限报警处理程序水泵电机控制程序液位正常?通讯、数据处理程序手工操作工频运行NNN N

13、N Y YY Y Y图4 系统主程序流程图4 节能效果分析由流体力学可知,系统供水时,水泵的输出功率P 与出水管的水压H 及出水流量Q 乘积成正比;水泵的转速n 与出水管流量Q 成正比;管内水压H 与出水流量Q 的平方成正比,由上述关系可知,水泵的输出功率P 与转速n 的三次方成正比,即:32321kn P Qk H Qk n HQk P = (1-1式(1-1中的1k 、2k 、3k 、k 为比例系数。式(1-2是交流感应式电动机的转速公式,由公式可知当转差率s 和电机极对数p 为定值时,电动机转速n 和定子电源频率f 成正比关系。 水泵的功率是按最大负荷量设定的,而最大流量的实际运行时间都

14、较短,其流量随用水情况变化而变化,所以当系统出水流量在小于最大流量的范围内变化时,通过变频调速装置将供水水泵转速降低,则水泵的输出功率将随之减小,达到节能的作用。其节能原理如图4。其中曲线1、2、3是出水管压力特性曲线,n 1、n 2是水泵的运行特性曲线。如水泵原来工作在 A 点,此时出水流量为 Q1,管压力为 H1, 转速为 n1 ,当外界用水情况变化,出水流量降为 Q2 , 如水泵转速仍为 n1 ,则出水管压力特性曲线为 1,水泵工作于 B 点,管压力增大到 H2。如采用 变频调速恒压供水的方式，将水泵的转速降到 Q2 和 H1 的交点 D 所对应的转速 n2，则既维 持了出水流量为 Q2

15、，又使管压减小到 H1。将二者进行比较可知，在相同出水流量需求下， 变频调速恒压供水方式下水泵消耗的输出功率少于恒转速节流供水方式， 节约的能量是二者 所围面积之差，即 H1 H2BD 矩形面积代表的能量。假如 Q2 是 Q1 的 70%，则由式（1-1） 可知，采用变频调速恒压供水可使水泵输出功率降至 P1 的 34.3%，即节省了 66.7%的能量， 效果十分显著，所以此次供水系统的变频改造投入的成本半年内就已全部收回了。 图5 变频调速的节能原理图 另外，系统因实现了恒压自动控制不需要操作人员频繁操作,降低了劳动强度,节省了人 力，而且系统安全运行可靠性大大提高；而且当出口流量小于额定流量时，泵工作在变频工 况,泵转速降低,减少了轴承的磨损和发热,延长泵和电动机的机械使用寿命， 节省了设备的维 护费用。 结语 该文介绍的基于 PLC 和变频器的恒压供水控制系统已成功用于某化工厂的生产供水及 其周边居民的生活供水。该控制系统具有节能显著、性能稳定、运行可靠等特点，已为该厂 取得了可观的经济效益。 5 参考文献 1 雷宏彬，曹晓娟.基于 PLC 的变频器的恒压供水控制系统J.工业仪表与自动化装 置.200