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1 引言 汕頭市澄海區(qū)第一水廠送水泵（water pump）房共有六臺送水機(jī)泵，包括(bāo kuò)55k W、75k W、110kW三種不同功率的機(jī)泵各兩臺。由于用戶用水量具有一定的隨機(jī)性，如果只靠啟動(start up)和停止(stop)機(jī)泵來保持供水壓力，這樣很難滿足隨時變化的供水要求。據(jù)統(tǒng)計分析，在水廠的生產(chǎn)成本中，送水機(jī)泵運(yùn)行用電成本占了很大的比例。為降低電耗，保證供水質(zhì)量，受用戶委托對送水泵房水泵機(jī)組實(shí)施全自動變頻調(diào)壓PLC控制（control)。全自動變頻調(diào)壓PLC控制系統(tǒng)主要采用變頻調(diào)速技術(shù)，它具有恒定水壓，降低能耗等顯著優(yōu)點(diǎn)，是一項(xiàng)集現(xiàn)代先進(jìn)電力電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)于一體的高效節(jié)能(Energy saving)技術(shù)。 2 全自動變頻調(diào)壓PLC控制系統(tǒng)介紹 全自動變頻調(diào)壓PLC控制系統(tǒng)(system)主要由一套可編程控制器(Controller)PLC和一臺變頻器組成。恒壓供水設(shè)備是一種水利系統(tǒng)的供水方式。供水是國民生產(chǎn)生活中不可缺少的重要一環(huán)。傳統(tǒng)供水方式占地面積大，水質(zhì)易污染，基建投資多，而最主要的缺點(diǎn)是水壓不能保持恒定，導(dǎo)致部分設(shè)備不能正常工作。恒壓供水設(shè)備能夠保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。PLC對管道壓力進(jìn)行實(shí)時采樣，并與壓力設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)壓力偏差值由PID閉環(huán)控制算法得出一調(diào)節(jié)(adjust)參量，控制變頻器輸出頻率從而控制水泵（water pump）電機(jī)轉(zhuǎn)速，以及根據(jù)壓力差值的大小等條件自動選定工作機(jī)泵的類型和數(shù)量，使管網(wǎng)壓力與設(shè)定壓力一致。 根據(jù)工藝要求，為達(dá)到既降低電耗，又避免頻繁啟停機(jī)泵，選擇110kW的機(jī)泵與變頻器組成調(diào)速泵，其余機(jī)泵作為定速泵。在一臺變頻器下的兩臺110kW的機(jī)泵加裝電氣互鎖控制，防止兩水泵同時運(yùn)轉(zhuǎn)。 系統(tǒng)兼有手動和自動操作功能，可根據(jù)不同的需要，選擇(xuanze)不同的工作方式。手動時，頻率輸出(Output)由變頻器（Variable-frequency Drive)的操作器設(shè)置，自動時，頻率輸出由PLC根據(jù)管道壓力自動調(diào)節(jié)。 3 全自動變頻調(diào)壓PLC控制系統(tǒng)特點(diǎn) (1)自動(automatic)控制（control)水泵（water pump）轉(zhuǎn)速 實(shí)時讀入管網(wǎng)壓力值，與設(shè)定值比較，由PID控制算法得出一調(diào)節(jié)參量，控制變頻器輸出頻率，從而控制調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。 (2)自動運(yùn)行泵的類型和臺數(shù) 當(dāng)用水量較少時，調(diào)速泵調(diào)頻變速工作，保持干管水壓恒定。當(dāng)用水量超過調(diào)速泵的工頻流量，水壓降低時，變頻器先把頻率降低到70％，控制調(diào)速泵運(yùn)轉(zhuǎn)，同時PLC增開定速泵，泵的類型和數(shù)量可以根據(jù)當(dāng)前的壓力差和用水量的歷史曲線決定，增開定速泵后，調(diào)速泵的運(yùn)行頻率則根據(jù)壓力差進(jìn)行調(diào)整，使干管壓力接近設(shè)定值。如當(dāng)用水量減少時，變頻器降低調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，當(dāng)頻率降低到40%時，相應(yīng)地關(guān)閉定速泵，然后調(diào)整調(diào)速泵的頻率，使干管壓力接近設(shè)定值；停泵時，根據(jù)當(dāng)前的壓力差和用水量的歷史曲線決定所停的泵的類型和數(shù)量。當(dāng)水壓達(dá)不到要求，系統(tǒng)在開停泵時都應(yīng)采取延時處理，避免出現(xiàn)在短時間內(nèi)頻繁切換機(jī)泵的情況。 (3)最大限度利用原有設(shè)備，減低投資成本。 4 全自動變頻調(diào)壓PLC控制系統(tǒng)(system)變頻調(diào)壓的節(jié)能原理 為適應(yīng)用戶用水量的變化，調(diào)節(jié)(adjust)出水流量，現(xiàn)通常采用兩種方法來完成流量的連續(xù)調(diào)節(jié)。二次供水設(shè)備廣泛用于企事業(yè)單位、住宅區(qū)及農(nóng)村的生產(chǎn)、生活、辦公用水。供水戶在20－2000戶。日供水量在20－50000m3，供水高度達(dá)150米，即50層樓房。一種是利用控制閥(Control valve)或節(jié)流閥進(jìn)行節(jié)流，以改變出水流量；另一種是泵的調(diào)速控制，調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速來改變出水流量。圖l為水泵調(diào)速時的全揚(yáng)程特性(H—Q)曲線。 用閥門控制時，當(dāng)流量要求從Q0減小到Q1，必須降低閥門開度。這時閥門的磨擦阻力變大，阻力曲線從R移到R&rsquo；揚(yáng)程則從H0上升到Hl，運(yùn)行工況點(diǎn)從A點(diǎn)移到B點(diǎn)。 用調(diào)速控制時，當(dāng)流量要求從Q0減小到Q1，由于阻力曲線R不變，泵的特性取決于轉(zhuǎn)速。如果把速度從N100降到N80，運(yùn)行工況點(diǎn)則從A點(diǎn)移到C點(diǎn)，揚(yáng)程從H0下降到H2。 根據(jù)離心泵特性曲線公式： 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(yáng)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(yùn)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，用閥門控制流量時，有△P功率被損耗浪費(fèi)掉了，且隨著閥門不斷關(guān)小，這個損耗還要增加。而用轉(zhuǎn)速控制流量時，根據(jù)流量 Q、揚(yáng)程 H、功率P和轉(zhuǎn)速N之間的關(guān)系，有： 由 (5)式可知，流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比；揚(yáng)程H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比；軸功率（指物體在單位時間內(nèi)所做的功的多少）P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比，即功率與轉(zhuǎn)速成3次方的關(guān)系下降。供水設(shè)備從根本上解決了水塔供水的問題。據(jù)“供水設(shè)備推廣中心”的資料顯示，供水設(shè)備不需建造水塔，投資小、占地少，采用水氣自動調(diào)節(jié)、自動運(yùn)轉(zhuǎn)、節(jié)能與自來水自動并網(wǎng)，停電后仍可供水，調(diào)試后數(shù)年不需看管。如果不是用降低閥門開度的方法，而是把電機(jī)轉(zhuǎn)速降下來，那么在同樣流量的情況下，原來消耗在閥門阻力的功率就可以避免，從而獲得圖l中BC區(qū)域大小的節(jié)能效果。本全自動變頻調(diào)壓PLC控制系統(tǒng)選擇的調(diào)速泵的功率為P=llOkW，額定轉(zhuǎn)速為n=1450r／m，從表l可以觀察所需功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。 據(jù)統(tǒng)計分析，泵大部分工作時間是運(yùn)行在60%到80%的負(fù)載工作點(diǎn)上。由上表可以看出，60％和80％的負(fù)載工作點(diǎn)上所需的功率相當(dāng)于以額定轉(zhuǎn)速工作時功率的51．2％和21．6％。所以采用變頻調(diào)速控制泵的流量，理論上可以節(jié)約(jié yuē)40%的電耗。 5 全自動變頻調(diào)壓PLC控制系統(tǒng)投資效果 汕頭市澄海區(qū)第一水廠送水泵房安裝實(shí)施了全自動變頻調(diào)壓PLC控制系統(tǒng)后，投資效果非常明顯。主要體現(xiàn)在以下幾個方面： (1)節(jié)能效果非常顯著，而且生產(chǎn)(Produce)工藝穩(wěn)定（解釋:穩(wěn)固安定；沒有變動)，可產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。 根據(jù)用戶(user)統(tǒng)計，月平均節(jié)約電能30000kWh，按工業(yè)(gōng yè)電價0．67元／kWh計，每月可以產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益2萬余元，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。 (2)延長設(shè)備壽命，降低維修費(fèi)用。由于電機(jī)水泵的轉(zhuǎn)速普遍下降，運(yùn)行狀況明顯改善。變頻器啟動和調(diào)速平穩(wěn)，這減少了對電網(wǎng)的沖擊。同時叵壓供水對管網(wǎng)不會造成常常性的強(qiáng)烈沖擊，對管網(wǎng)起了很好的保護(hù)作用。這些都對延長設(shè)備的使用壽命，降低設(shè)備的維修費(fèi)用有積極的意義。 (3)改善工作環(huán)境，降低設(shè)備故障的可能性。采用變頻調(diào)速技術(shù)后，由于水泵出口閥全開，消除了閥門因節(jié)流而產(chǎn)生的噪音，改善了工人的工作環(huán)境。同時，克服了平常因調(diào)節(jié)(adjust)閥故障對生產(chǎn)帶來的影響，具有顯著的社會效益。 (4)提高設(shè)備(shèbèi)工作(gōng zuò)穩(wěn)定性。系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，參數(shù)超調(diào)波動范圍小，偏差能及時進(jìn)行控制。變頻器的加速和減速可根據(jù)工藝要求自動(automatic)調(diào)節(jié)，控制精度高，能保證生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，提高了供水的質(zhì)量和產(chǎn)量。而且變頻調(diào)速器具有十分靈敏的故障檢測、診斷、數(shù)字顯示功能，提高了電機(jī)水泵運(yùn)行的可靠性。 6 結(jié)語 汕頭市澄海區(qū)第一水廠全自動變頻調(diào)壓PLC控制系統(tǒng)投入運(yùn)行4年來，用戶的使用經(jīng)驗(yàn)表明，系統(tǒng)具有調(diào)速性能好、節(jié)能(Energy saving)效果(xiàoguǒ)顯著、運(yùn)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(jié)約能源的今天，推廣使用這種集現(xiàn)代先進(jìn)電力電子(electronic)技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)于一體的高科技節(jié)能裝置，對于提高水廠生產(chǎn)(Produce)率、降低（reduce)能耗、降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。 |
