供水系統(tǒng)中使用變頻節(jié)能的實(shí)踐

（中鋁西北鋁責(zé)任有限公司， 隴西 748100）

1 序言

我公司生水泵站共有3臺(tái)離心泵水泵，采用一用兩備的運(yùn)行方式。原系統(tǒng)水泵電機(jī)使用接觸器控制，啟動(dòng)方式為全電壓?jiǎn)?dòng)，啟動(dòng)時(shí)對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，大大降低了電機(jī)和水泵的使用壽命，增加了維修量。單臺(tái)水泵開啟后根據(jù)用水量手動(dòng)控制出水閥門開口度調(diào)節(jié)供水壓力，如單臺(tái)水泵提供水壓不能滿足需要手動(dòng)投入第二臺(tái)水泵補(bǔ)充。由于是手動(dòng)作業(yè)，需反復(fù)開關(guān)幾次才能調(diào)節(jié)到需求壓力。頻繁調(diào)節(jié)閥門會(huì)產(chǎn)生大量的節(jié)流損失增加能耗，且水泵啟動(dòng)后電機(jī)始終處于恒速運(yùn)行狀態(tài)，電能明顯浪費(fèi)在無用功上。在生產(chǎn)設(shè)備需水量變化比較大時(shí)，操作人員需隨時(shí)調(diào)節(jié)出水閥開口度及投入切除備用泵組，浪費(fèi)人力且手動(dòng)調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)，影響生產(chǎn)設(shè)備正常運(yùn)行。鑒于生水泵站原電氣控制系統(tǒng)存在如上所述之問題，我公司決定對(duì)生水泵站電控系統(tǒng)進(jìn)行變頻節(jié)能技術(shù)改造。

表1 生水泵站水泵及電機(jī)參數(shù)

2 生水泵站電控系統(tǒng)變頻節(jié)能改造設(shè)計(jì)方案

生水泵站改造采用出口水壓恒壓控制方式，以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，在控制上實(shí)現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。電氣控制系統(tǒng)以PLC控制系統(tǒng)作為主控制系統(tǒng)，出口管網(wǎng)處加裝壓力傳感器作為水壓反饋信號(hào)，智能儀表輸入作為壓力設(shè)定給定信號(hào)，壓力傳感器反饋信號(hào)接入智能儀表，智能儀表將給定和反饋偏差信號(hào)傳入PLC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行PID計(jì)算后，控制變頻器輸出頻率的增加或減少來實(shí)現(xiàn)水壓恒壓控制。三臺(tái)水泵采用“一拖三”控制方式，由PLC控制系統(tǒng)通過接觸器切換電機(jī)變頻工頻使用，在變頻控制水泵不能滿足出口水壓要求時(shí)，投入工頻控制備用泵，工頻控制電機(jī)啟動(dòng)使用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)減少對(duì)電網(wǎng)及設(shè)備的沖擊。

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如果實(shí)際供水壓力低于設(shè)定壓力，PLC控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個(gè)差值經(jīng)過計(jì)算和轉(zhuǎn)換，計(jì)算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實(shí)際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個(gè)增量和變頻器當(dāng)前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當(dāng)前應(yīng)該輸出的頻率。該頻率使水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速增大，從而使實(shí)際供水壓力提高，在運(yùn)行過程中該過程將被重復(fù)，直到實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等為止。如果運(yùn)行過程中實(shí)際供水壓力高于設(shè)定壓力，情況剛好相反，變頻的輸出頻率將會(huì)降低，水泵的轉(zhuǎn)速減小，實(shí)際供水壓力因此而減小。

3 生水泵站電控系統(tǒng)變頻節(jié)能改造系統(tǒng)組成

生水泵站電控系統(tǒng)變頻節(jié)能改造新加設(shè)備主要有PLC控制系統(tǒng)、智能儀表、變頻器、軟啟動(dòng)器等組成。

3.1 PLC控制系統(tǒng)

生水泵站電控系統(tǒng)變頻節(jié)能改造PLC控制系統(tǒng)選用西門子S7-200控制系統(tǒng)，S7-200的用戶程序中包括了位邏輯、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算以及與其他職能模塊通訊等指令內(nèi)容，從而使它能夠監(jiān)視輸入狀態(tài)，改變輸出狀態(tài)已達(dá)到控制目的。緊湊的結(jié)構(gòu)、靈活的配置和強(qiáng)大的指令集完全能夠滿足本次改造的要求，且S7-200價(jià)格較低節(jié)省了改造費(fèi)用。

3.2 智能儀表

生水泵站電控系統(tǒng)變頻節(jié)能改造智能儀表選用宇電AI-708精密人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器，該智能儀表的主要特點(diǎn)有輸入可自由選擇熱電偶、熱電阻、電流、電壓并可擴(kuò)充輸入及自定義非線性校正表格，測(cè)量精度達(dá)0.2級(jí)。采用先進(jìn)的AI人工智能PID調(diào)節(jié)算法，無超調(diào)，具備自整定功能及精細(xì)控制模式。采用先進(jìn)的模塊化結(jié)構(gòu)，提供豐富的輸出規(guī)格，能廣泛滿足各種應(yīng)用場(chǎng)合的需要。每秒12.5次測(cè)量采樣數(shù)率，最小控制周期達(dá)0.24秒，能適應(yīng)快速變化對(duì)象的控制精度。人性化設(shè)計(jì)的操作方法，易學(xué)易用?？垢蓴_性能符合在嚴(yán)酷工業(yè)條件下電磁兼容（EMC）的要求。

3.3 變頻器

生水泵站電控系統(tǒng)變頻節(jié)能改造變頻器選用西門子MICROMASTER 440通用型變頻器，MM440通用變頻器易于安裝，參數(shù)設(shè)置和調(diào)試。有牢固的EMC設(shè)計(jì)，對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)是快速和可重復(fù)的。參數(shù)設(shè)置的范圍很廣，電纜連接簡(jiǎn)便，具有多個(gè)繼電器輸出和模擬量輸出（0-20MA），6個(gè)帶隔離的數(shù)字輸入，2個(gè)模擬量輸入，可輸入0-10V、0-20MA、-10至+10V信號(hào)。具有矢量控制和V/f控制功能，具有電流限制（FCL）功能，避免運(yùn)行中不應(yīng)有的跳閘。內(nèi)置的直流注入制動(dòng)。復(fù)合制動(dòng)功能改善了制動(dòng)特性。具有PID控制功能的閉環(huán)控制。加速/減速斜坡特性具有可編程的平滑功能。具有過電壓/欠電壓保護(hù)、變頻器過熱保護(hù)、接地故障保護(hù)、短路保護(hù)、I2t電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)和PTC/KTY電動(dòng)機(jī)保護(hù)等保護(hù)特性。

3.4 軟啟動(dòng)器

生水泵站電控系統(tǒng)變頻節(jié)能改造軟啟動(dòng)器選用西安西馳CMC-MX內(nèi)置旁路型電機(jī)軟啟動(dòng)器，該軟啟動(dòng)器是一種基于觸發(fā)閉環(huán)算法的調(diào)壓、限流式智能異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器。內(nèi)置旁路接觸器觸點(diǎn)采用磁保持型接觸器，無噪音、無電磁污染、不產(chǎn)生火花。該軟啟動(dòng)器能無階躍的平穩(wěn)啟動(dòng)/停止電機(jī)，避免因采用直接啟動(dòng)、星/三角啟動(dòng)、自耦減壓?jiǎn)?dòng)等傳統(tǒng)啟動(dòng)方式啟動(dòng)電機(jī)而引起的機(jī)械與電氣沖擊等問題，并能有效降低啟動(dòng)電流及配電容量。該軟啟動(dòng)器具有多種啟動(dòng)方式，可選擇限流啟動(dòng)、電壓斜坡啟動(dòng)，并可在每種啟動(dòng)方式下施加可編程突跳啟動(dòng)及啟動(dòng)電流限制。該軟啟動(dòng)器具有高可靠性、強(qiáng)大的抗干擾性、簡(jiǎn)便的調(diào)整方式、優(yōu)化的結(jié)構(gòu)、電源頻率自適應(yīng)、維護(hù)簡(jiǎn)便等特性。該軟啟動(dòng)器保護(hù)功能完善，有過電流、輸入輸出缺相、晶閘管短路、過熱保護(hù)、漏電檢測(cè)、電子熱過載、內(nèi)部接觸器故障、相電流不平衡等電機(jī)保護(hù)功能。

4 生水泵站電控系統(tǒng)變頻節(jié)能改造后系統(tǒng)運(yùn)行方式

生水泵站電控系統(tǒng)變頻節(jié)能改造后系統(tǒng)運(yùn)行方式：

通過變頻選擇開關(guān)選擇1#2#3#水泵中任意一臺(tái)為變頻運(yùn)行。閉合工頻的軟啟動(dòng)器三項(xiàng)電源空氣開關(guān)，閉合工頻補(bǔ)償泵的工頻旁路三項(xiàng)電源空氣開關(guān)。通過軟啟動(dòng)器開關(guān)選擇1#2#3#水泵中的任意一臺(tái)為工頻運(yùn)行。

運(yùn)行操作：

（1）操作人員按控制柜變頻啟動(dòng)按鈕，變頻運(yùn)行水泵的指示燈亮，則變頻泵1#或2#3#開始變頻運(yùn)行。

（2）變頻運(yùn)行的水泵啟動(dòng)20秒鐘后，PLC自動(dòng)將選擇變頻運(yùn)行水泵的井口閥開閥。

（3）一臺(tái)水泵變頻運(yùn)行，PLC對(duì)這臺(tái)變頻水泵進(jìn)行自動(dòng)控制。當(dāng)實(shí)際壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，PLC根據(jù)該偏差進(jìn)行PID控制算法處理，通過D/A轉(zhuǎn)換后發(fā)出指令，使變頻器輸入頻率增高，增加水泵轉(zhuǎn)速，從而提高給水量，使實(shí)際壓力達(dá)到設(shè)定壓力要求。反之則逆運(yùn)行。

（4）當(dāng)變頻泵升速至50HZ，經(jīng)過30秒延時(shí)，實(shí)際壓力任然低于設(shè)定壓力，PLC自動(dòng)通過軟啟動(dòng)器啟動(dòng)工頻補(bǔ)償泵，待軟啟動(dòng)器達(dá)到全速達(dá)速點(diǎn)時(shí)，軟啟動(dòng)器的旁路接觸器閉合，工頻補(bǔ)償泵開始運(yùn)行。三臺(tái)泵的補(bǔ)償順序：1#變頻時(shí)，2#工頻補(bǔ)充；2#變頻時(shí)3#工頻補(bǔ)充；3#變頻時(shí)，1#工頻補(bǔ)充。

（5）當(dāng)兩臺(tái)泵運(yùn)行，變頻泵降速到15HZ，經(jīng)10秒延時(shí)，實(shí)際壓力任高于設(shè)定壓力，PLC自動(dòng)停止補(bǔ)充泵工頻運(yùn)行。

（6）按變頻停止按鈕，變頻運(yùn)行水泵的出口閥關(guān)閉、變頻泵1#2#3#停止變頻運(yùn)行。

（7）工頻運(yùn)行。當(dāng)變頻控制泵發(fā)生故障，短期不能恢復(fù)運(yùn)行，可選擇工頻運(yùn)行。

5 生水泵站電控系統(tǒng)變頻節(jié)能改造達(dá)到的節(jié)能效果

5.1 電能節(jié)能

生水泵站電控系統(tǒng)變頻節(jié)能改造使用變頻調(diào)速技術(shù)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法控制供水出口管網(wǎng)水壓保持恒壓，比改造前使用手動(dòng)控制出水閥門開口度調(diào)節(jié)供水壓力方式節(jié)約電能效果明顯，從我公司實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來看，改造前生水泵站月度用電量平均在30000度左右，改造后生水泵站月度用電量平均在17500度左右，每月平均節(jié)約電能40%以上。

生水泵站電控系統(tǒng)變頻節(jié)能改造前電機(jī)啟動(dòng)方式為全電壓?jiǎn)?dòng)，啟動(dòng)時(shí)對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，大大降低了電機(jī)和水泵的使用壽命。改造后利用變頻器的軟啟動(dòng)功能和軟啟動(dòng)器控制工頻啟動(dòng)，啟動(dòng)電流從零開始,最大值也不超過額定電流,減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的要求,延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

生水泵站電控系統(tǒng)變頻節(jié)能改造前系統(tǒng)功率因數(shù)偏低，大量的無功功率不但增加線損和設(shè)備發(fā)熱，而且導(dǎo)致設(shè)備使用效率低下,浪費(fèi)嚴(yán)重。改造后由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用,從而減少了無功損耗,增加了電網(wǎng)的有功功率。

5.2 人工及維修成本節(jié)約

生水泵站電控系統(tǒng)變頻節(jié)能改造后泵站出水壓力自動(dòng)恒定控制，設(shè)備啟動(dòng)后，除正常巡視外無需專人操作，相比改造前動(dòng)人工調(diào)整方式節(jié)省了大量人力，生水泵站值班人員由原來的7人減少為3人，且工作量比改造前大為降低。

生水泵站電控系統(tǒng)變頻節(jié)能改造后電機(jī)啟動(dòng)改為軟啟動(dòng)方式，使供電設(shè)備、電機(jī)、水泵、水管管道等相關(guān)設(shè)備故障率大大降低。改造后管道出水閥門除維修時(shí)始終處于全開狀態(tài)，閥門故障率也大為降低。

6 結(jié)束語

我公司生水泵站電控系統(tǒng)變頻節(jié)能改造后，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，供水壓力穩(wěn)定，系統(tǒng)節(jié)約電能效果明顯，設(shè)備故障率大大降低，人力成本節(jié)約較大，改造效果達(dá)到了公司要求。為公司其他泵站的節(jié)能改造起到了一定的參考作用。