水廠加壓站中變頻恒壓供水的應(yīng)用研究

武 逸 冰

(山西太水市政工程有限公司，山西 太原 030000)

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)水的需求量也越來越高，特別是在城市不斷發(fā)展的過程中，城市的擴(kuò)張對(duì)供水也提出了更高的要求。在城市擴(kuò)張的過程中，會(huì)出現(xiàn)一些郊區(qū)的擴(kuò)張和建設(shè)，這個(gè)地區(qū)一般會(huì)處在供水管網(wǎng)的末梢，并且生產(chǎn)生活方面的用水量變化比較快，因此對(duì)供水的安全性和穩(wěn)定性提出了更高的要求，同時(shí)在供水的連續(xù)性方面也難以得到有效的保證。對(duì)傳統(tǒng)的加壓方式來說，水質(zhì)容易受到嚴(yán)重的污染，同時(shí)基建投資比較多，會(huì)導(dǎo)致操作人員的工作量比較大，這種操作模式最主要的特點(diǎn)就是供水壓力不能夠保持在恒定的狀況中，因此會(huì)導(dǎo)致供水的質(zhì)量比較差。在水廠加壓站中進(jìn)行變頻恒壓供水的應(yīng)用可以提升水廠加壓站的運(yùn)行效率和效果，從而為供水的穩(wěn)定提供幫助，實(shí)現(xiàn)供水的平衡，促進(jìn)社會(huì)的發(fā)展。

1 軟件和硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1.1 硬件系統(tǒng)

水廠加壓站中變頻恒壓供水的應(yīng)用，首先需要完成硬件系統(tǒng)方面的建設(shè)，結(jié)合不同地區(qū)的具體供水實(shí)際情況和需求，所使用的硬件設(shè)備也會(huì)存在一定的差異性選擇，為了能夠有效的使水壓處在一個(gè)恒定的控制狀況當(dāng)中，人們可以對(duì)水泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行改變，同時(shí)也可以對(duì)單臺(tái)水泵的工頻及變化頻率進(jìn)行切換，除了這些措施之外，還可以結(jié)合實(shí)際的情況，對(duì)運(yùn)行水泵的數(shù)量進(jìn)行控制。系統(tǒng)可以采用壓力傳感器、PLC和變頻器作為中心控制裝置，通過安裝在管網(wǎng)干線上的壓力傳感器檢測(cè)管網(wǎng)的水壓，將壓力轉(zhuǎn)化為4 mA～20 mA的電流或者是0 V～10 V的電壓信號(hào)，提供給變頻器。因此可以根據(jù)具體的定值和實(shí)際值完成設(shè)定電壓電流的電流值及反饋電流信號(hào)的對(duì)比，然后再利用相應(yīng)的控制端來進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)工作的開展，改變頻率的輸出值對(duì)所有的水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。這樣的一種硬件處理方式能夠使單臺(tái)水泵的恒壓供水成為現(xiàn)實(shí)，但是對(duì)兩臺(tái)水泵的多種工況運(yùn)行，還需要進(jìn)行開關(guān)量的控制工作，并且會(huì)涉及到大型數(shù)據(jù)的處理，因此要注重?cái)?shù)據(jù)處理能力的提升，在這樣的背景下，單純使用單頻器單獨(dú)控制難以實(shí)現(xiàn)。目前，在相關(guān)的硬件設(shè)備中，西門子系列的PLC在一些小型自動(dòng)化控制系統(tǒng)當(dāng)中的應(yīng)用十分廣泛，對(duì)該設(shè)備的模擬量采集模塊進(jìn)行運(yùn)用，可以實(shí)現(xiàn)壓力傳感器和變頻器控制的連接工作，同時(shí)在編程操作的幫助下，對(duì)多機(jī)組和多工況調(diào)度方面的問題進(jìn)行解決，再結(jié)合具體的組態(tài)軟件，方便操作人員對(duì)狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)的查看和介入方面的控制。

1.2 軟件系統(tǒng)

在軟件系統(tǒng)的設(shè)置中，首先要使用合理的編程軟件，進(jìn)行控制程序的編寫操作，以此來更好的對(duì)系統(tǒng)手動(dòng)和自動(dòng)的切換問題進(jìn)行解決，并且完成參數(shù)的初始以及信號(hào)和通訊數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作。此外，通過程序的編寫，還能夠進(jìn)行泵的啟動(dòng)及切換，對(duì)停止方面的條件和順序設(shè)置也能夠有效的推動(dòng)。當(dāng)供水的壓力出現(xiàn)不夠充足的情況時(shí)，人們可以增大變頻器輸出的頻率，反過來，人們就應(yīng)該減小變頻器的輸出頻率，從而使水壓始終保持在一個(gè)穩(wěn)定的狀況中。在實(shí)際的編程過程中，人們需要考慮變頻器頻率調(diào)整過于頻繁的情況，因?yàn)檫^于頻繁會(huì)導(dǎo)致超調(diào)情況的出現(xiàn)，因此需要設(shè)置一個(gè)連續(xù)的采樣，更好地使三次滿足條件之后，獲得及時(shí)的輸出和調(diào)整。

2 變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)

2.1 安全生產(chǎn)

系統(tǒng)之所以能夠穩(wěn)定的對(duì)供水總管的壓力進(jìn)行控制，在很大程度上源于軟件和硬件方面的設(shè)置合理和配合流暢。在變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行的過程當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)安全的生產(chǎn)是非常重要的一個(gè)前提。有的加壓站目前的能力能夠滿足實(shí)際用水量的需求，變頻器能夠有效的對(duì)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)用戶用水量需求的大小通過管網(wǎng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)供給方面的平衡，確保整體管網(wǎng)的安全性，也能夠有效的減少操作人員在勞動(dòng)方面的長(zhǎng)度以及換泵方面比較繁瑣的程序。對(duì)這些系統(tǒng)來說，它有比較完善的保護(hù)功能，例如：接地、過載和過壓等，同時(shí)還能夠確保整個(gè)系統(tǒng)處在安全和可靠的狀況下。

2.2 節(jié)能運(yùn)行

充分考慮水泵的流量特性及電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在分析水泵電機(jī)功率、水泵流量、水泵揚(yáng)程的情況下，可以探討出具體的計(jì)算公式和計(jì)算的模型。

軸功率P=Q·H·9.8·ρ/3 600·η。

其中，H為揚(yáng)程,m；Q為流量,m3/h；η為泵的效率；P為軸功率,kW；ρ為水介質(zhì)比重，取1 000 kg/m3；g=9.8。

推導(dǎo)出P=2.73HQ/η。

由此可以看出，電機(jī)的功率和水泵的流量之間是一個(gè)正比的關(guān)系。在大多數(shù)情況下，加壓站用戶側(cè)的水量都是處在不斷變化的過程中，如果遇到需水量處于波谷時(shí)期的時(shí)候，那么變頻器就會(huì)降低水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以此來使節(jié)能效益處在一個(gè)比較可觀的狀態(tài)下。目前所使用的變頻器大多數(shù)都會(huì)具有軟啟動(dòng)和平滑停車方面的功能，因此能夠使電機(jī)的啟動(dòng)和停車電流得到限制并且降低，能夠在最大程度上減少大電流對(duì)電機(jī)繞組所帶來的沖擊，也能夠使電機(jī)突然啟動(dòng)和停止，對(duì)水泵帶來的沖擊得到有效的減少，能夠在一定程度上確保電機(jī)和水泵獲得有效的保護(hù)，促進(jìn)它們使用壽命的延長(zhǎng)。在這樣的狀況下，管道和閥門的沖擊及磨損，也會(huì)達(dá)到一個(gè)最小的狀況，設(shè)備的維護(hù)工作量也能夠獲得減少。

3 系統(tǒng)出現(xiàn)的問題和解決的方案

3.1 電流相間不平衡分析

電機(jī)電流相間不平衡最主要是在系統(tǒng)啟動(dòng)的過程中出現(xiàn)，通過相應(yīng)的觀察可以發(fā)現(xiàn)，相間電流相差一般會(huì)在幾十到一百安培之間，在這個(gè)時(shí)候，變頻器的工作會(huì)處在一個(gè)正常的狀況下。在使用的過程中，人們一般會(huì)開展隨時(shí)的檢查工作，如果在檢查的過程當(dāng)中發(fā)現(xiàn)變頻器的溫度比較高，達(dá)到了報(bào)警溫度的狀況，那么就需要采取一些有效的措施進(jìn)行處理。對(duì)于變頻器而言，如果長(zhǎng)期處在這樣的一種高溫環(huán)境下，那么會(huì)導(dǎo)致逆變器的工作性能受到嚴(yán)重的影響，從而出現(xiàn)電壓波形畸變的情況，這種情況的存在，也會(huì)導(dǎo)致電機(jī)相間電流有著不平衡現(xiàn)象的存在。變頻器出現(xiàn)溫度升高，最主要的原因是冷卻通風(fēng)方面的效果不夠理想，有這種情況的存在，一方面受到環(huán)境溫度過高的影響，另外一方面也由于電氣柜設(shè)計(jì)不合理所造成，因?yàn)樵O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的不合理，會(huì)使得冷卻出風(fēng)口的熱風(fēng)返回到冷卻進(jìn)風(fēng)口的位置，從而導(dǎo)致冷卻風(fēng)道的溫度會(huì)處在越來越高的狀況下。

對(duì)這種問題的解決方法，首先需要提供一個(gè)合適的環(huán)境，對(duì)電氣柜的布局進(jìn)行全方位的改造工作，使變頻器的冷卻進(jìn)風(fēng)口和冷風(fēng)出風(fēng)口之間得到有效的隔離，確保冷卻效果得到全方位的加強(qiáng)。只有變頻器的溫度得到有效的下降，才能夠使得電機(jī)電流相間不平衡的現(xiàn)象得到全方位的消除。

3.2 直流母線電壓脈動(dòng)分析

在通常情況下，中間電路的直流母線電壓脈動(dòng)出現(xiàn)的原因最主要就是主電源缺相，如果出現(xiàn)熔斷器燒斷或者是整流橋內(nèi)部故障的情況，也會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓脈動(dòng)出現(xiàn)。如果直流電壓的脈動(dòng)是直流電的13%的時(shí)候，變頻器就會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)性停車的狀況。經(jīng)過多次的檢查，人們可以發(fā)現(xiàn)，變壓器高壓側(cè)容易受到高次諧波的干擾從而出現(xiàn)燒保險(xiǎn)的情況。一旦高次諧波的情況比較嚴(yán)重，電壓波動(dòng)為直流電壓13%的時(shí)候，變頻器就會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)性停車的情況，而這種現(xiàn)象完全是由于外部原因所引起的一些故障。

對(duì)這種問題的解決辦法，首先應(yīng)該在變頻器的電源進(jìn)線側(cè)進(jìn)行一臺(tái)進(jìn)線電抗器的家裝，以此來使變頻器的進(jìn)線電源得到有效的凈化。安裝的供電質(zhì)量是比較高的，因此在進(jìn)行變頻器生產(chǎn)的時(shí)候，在直流母線電壓脈動(dòng)的保護(hù)值設(shè)計(jì)方面會(huì)處在比較保守的狀況下，實(shí)際上人們可以把13%的電壓脈沖值調(diào)整到脈沖20%的狀態(tài)，使直流電壓脈動(dòng)的保護(hù)范圍得到有效的放寬，因?yàn)樵谶@個(gè)時(shí)候，變頻器的工作狀況仍然比較可靠。這樣的一種處理方式比較簡(jiǎn)單，但是不能夠?qū)栴}進(jìn)行徹底的解決，因?yàn)樵谝恍顩r下，依然會(huì)出現(xiàn)變頻器保護(hù)性停機(jī)的情況。

4 結(jié)語(yǔ)

變頻調(diào)速技術(shù)是一種比較成熟的交流電機(jī)無極調(diào)速技術(shù)，這種技術(shù)有非常獨(dú)特的優(yōu)良性能，夠廣泛在供水控制領(lǐng)域當(dāng)中進(jìn)行使用，從而使恒壓供水技術(shù)獲得有效的發(fā)展。在實(shí)際的系統(tǒng)中，能夠把反饋實(shí)際壓力和給定的壓力進(jìn)行有效的比較和分析，當(dāng)管網(wǎng)的壓力不夠充足的時(shí)候，會(huì)主動(dòng)對(duì)變頻器輸出頻率進(jìn)行增大，從而使水泵的轉(zhuǎn)速得到有效的加快，最終迫使管網(wǎng)的壓力得到上升。反過來，在操作的過程當(dāng)中，就是要減小變頻器的輸出頻率，使管網(wǎng)的壓力得到有效的下降，確保水壓始終能夠保持在恒定的狀況下。