變頻器在變頻供水改造系統(tǒng)中的節(jié)能實用方案
2013/7/15 13:38:19??????點擊：
變頻器在變頻供水改造系統(tǒng)中的節(jié)能實用方案
一．變頻供水改造系統(tǒng)概述
由水泵的工作原理可知：水泵的流量與水泵電機的轉速成正比，水泵的揚程與水泵電機的轉速的平方成正比，水泵的軸功率等于流量與揚程的乘積，故水泵的軸功率與水泵（電機）的轉速的三次方成正比（即水泵的軸功率與供電頻率的三次方成正比）。如下表圖一所示：
根據(jù)上述原理可知改變水泵的轉速就可改變水泵的功率。
例如：將供電頻率由50HZ降為45HZ，則P45/P50=453/503=0.729，即P45=0.729P50
將供電頻率由50HZ降為40HZ，則P40/P50=403/503=0.512，即P40=0.512P50，依上述公式計算。
變頻供水改造系統(tǒng)在設計時是按現(xiàn)場最大供水需求（及最大工況）來考慮的，供水水泵的運行工況也相同，即按單機的最大供水需求量來考慮的；在實際使用中有很多時間水泵都需要根據(jù)實際工況進行調節(jié)，傳統(tǒng)的做法是用開停補（減）泵及開關閥門的方式進行調節(jié)，用開停補（減）泵會有啟動沖動電流，開關閥門進行調節(jié)增大了系統(tǒng)的節(jié)流損失，且對系統(tǒng)本身的調節(jié)也是階段性的，調節(jié)速度緩慢，減少損失的能力很有限也使整個系統(tǒng)工作在波動狀態(tài)，對于供水系統(tǒng)超壓爆管這類故障幾乎無能為力。
而通過在供水水泵加裝變頻調速器裝置，則可以一勞永逸的解決好這個問題，可實現(xiàn)自動調節(jié)控制，可使系統(tǒng)工作狀態(tài)平緩穩(wěn)定，并可通過變頻節(jié)能收回投資。變頻節(jié)能的效果是十分顯著的，特別是調節(jié)范圍大的系統(tǒng)及設備，通過上表及圖一可以直觀的看出在流量變化時只要對轉速（頻率）稍作改變就會使水泵軸功率有更大程度上的改變，就因有此特點使得變頻調速方式成為一種趨勢，并且不斷深入的應用于各行業(yè)及各種調速領域。
二.變頻供水改造系統(tǒng)的改造方案介紹下面對陜西某廠的供水系統(tǒng)做一介紹，該廠供水系統(tǒng)裝機清單如下
根據(jù)變頻供水改造系統(tǒng)的實際裝機情況我們在供水系統(tǒng)各裝二套傳動之星風機水泵型SD-YP變頻調速控制柜，其中1#變頻柜供兩臺55KW水泵切換（循環(huán)）使用；2#變頻柜供兩臺93KW水泵切換（循環(huán)）使用，兩套變頻調速控制柜共用一套自動控制系統(tǒng)及中央電腦監(jiān)控系統(tǒng)（工控機）（如圖二所示）
（1） 系統(tǒng)控制
整個系統(tǒng)控制信號，包括壓力設定信號，工頻和變頻故障信號處理，水位故障檢測處理均由主控PLC或監(jiān)控電腦設定，上位機監(jiān)控系統(tǒng)主要通過中央電腦監(jiān)控系統(tǒng)（工控機）完成對工藝流程參數(shù)的檢測、各機組的協(xié)調控制以及數(shù)據(jù)的處理、分析等任務，下位機PLC主要完成數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場設備的控制及連鎖等功能。 對于整個系統(tǒng)的運行信號進行綜合，尤其是當出現(xiàn)故障狀態(tài)時的系統(tǒng)處理操作，是整個系統(tǒng)的核心控制部分。
（2） 變頻器內部控制
變頻器內部控制及功能，主要是指變頻器內部PID功能模塊，內部PID功能使現(xiàn)場技術員設置和調試方便，相對于原來的硬件PID板控制，省去了硬件維護需要，節(jié)省了成本。主控環(huán)節(jié)的壓力設定信號與系統(tǒng)壓力信號反饋形成閉環(huán)以維持管網(wǎng)恒定壓力（簡稱閉環(huán)控制）。變頻器還具有休眠功能，內置RS485或RS232通訊接口，采用聯(lián)機控制。
（3） 電機控制
本方案的控制方式將按恒壓供水系統(tǒng)的通用自動功能進行設計。
變頻供水改造系統(tǒng)是在保留原有工頻系統(tǒng)的基礎上加裝的，（SD-YP）風機水泵型變頻器本身就還具有工頻、變頻轉換功能，變頻節(jié)能系統(tǒng)的聯(lián)動控制功能與原工頻系統(tǒng)的聯(lián)動控制功能相同，變頻節(jié)能系統(tǒng)與原工頻系統(tǒng)之間要設置聯(lián)鎖以確保系統(tǒng)工作安全。
（4）系統(tǒng)執(zhí)行控制
用壓力傳感器對供水系統(tǒng)母管（供水管道）出口的水壓進行采樣，轉換成電量信號后送至PID控制器，控制器將該信號與設定值進行比較運算后輸出一類比信號（一般為4—20MA、0—10V）給變頻器，變頻器根據(jù)該類比信號決定其輸出頻率，改變水泵轉速并調節(jié)供水壓力（供水量）以達到恒壓供水的目的（如圖三所示）。
（5）PLC硬件設計
PLC選用PLC-VB系列產品,水泵M1、M2、M3、M4、可變頻運行，也可工頻運行，需要PLC的四個輸出信號控制，變頻器的運行與關斷全由PLC的一個輸出信號控制，變頻器極限頻率的檢測信號占用PLC的一個輸入點，設定水壓的上、下限壓力值，當管網(wǎng)壓力處于上、下限位置時，傳感器分別輸出頻率檢測信號進入PLC的兩個輸入點，與變頻器一起實現(xiàn)。保證管網(wǎng)的壓力平穩(wěn)。三．供水系統(tǒng)壓力的保障
變頻供水改造系統(tǒng)的變頻節(jié)能系統(tǒng)在實際使用中要考慮水泵的轉速與揚程的平方成正比的關系，以及水泵的轉速與管損平方成正比的關系；在水泵的揚程隨轉速的降低而降低的同時管道損失也在降低，因此，系統(tǒng)對水泵揚程的實際需求一樣要降低；而通過設定變頻器下限頻率的方法又可保證系統(tǒng)對水泵揚程的最低需求。供水壓力的穩(wěn)定和調節(jié)量可以通過PID參數(shù)的調整。當供水需求量減少時，管道壓力逐漸升高，內部PID調節(jié)器輸出頻率降低，當變頻器輸出頻率低至0HZ時，而管道在一設定時間內還高于設定壓力，變頻器切斷當前變頻控制泵，轉而控制下一個原工頻控制泵，變頻器在水泵控制轉換過程中，逐漸輪換使用水泵，使每個水泵的利用率均等，增加系統(tǒng)、管道壓力的穩(wěn)定性和可靠性。四．傳動之星變頻器在變頻供水改造系統(tǒng)的特點
根據(jù)上述原理可知改變水泵的轉速就可改變水泵的功率。
例如：將供電頻率由50HZ降為45HZ，則P45/P50=453/503=0.729，即P45=0.729P50
將供電頻率由50HZ降為40HZ，則P40/P50=403/503=0.512，即P40=0.512P50，依上述公式計算。
變頻供水改造系統(tǒng)在設計時是按現(xiàn)場最大供水需求（及最大工況）來考慮的，供水水泵的運行工況也相同，即按單機的最大供水需求量來考慮的；在實際使用中有很多時間水泵都需要根據(jù)實際工況進行調節(jié)，傳統(tǒng)的做法是用開停補（減）泵及開關閥門的方式進行調節(jié)，用開停補（減）泵會有啟動沖動電流，開關閥門進行調節(jié)增大了系統(tǒng)的節(jié)流損失，且對系統(tǒng)本身的調節(jié)也是階段性的，調節(jié)速度緩慢，減少損失的能力很有限也使整個系統(tǒng)工作在波動狀態(tài)，對于供水系統(tǒng)超壓爆管這類故障幾乎無能為力。
而通過在供水水泵加裝變頻調速器裝置，則可以一勞永逸的解決好這個問題，可實現(xiàn)自動調節(jié)控制，可使系統(tǒng)工作狀態(tài)平緩穩(wěn)定，并可通過變頻節(jié)能收回投資。變頻節(jié)能的效果是十分顯著的，特別是調節(jié)范圍大的系統(tǒng)及設備，通過上表及圖一可以直觀的看出在流量變化時只要對轉速（頻率）稍作改變就會使水泵軸功率有更大程度上的改變，就因有此特點使得變頻調速方式成為一種趨勢，并且不斷深入的應用于各行業(yè)及各種調速領域。
二.變頻供水改造系統(tǒng)的改造方案介紹下面對陜西某廠的供水系統(tǒng)做一介紹，該廠供水系統(tǒng)裝機清單如下
根據(jù)變頻供水改造系統(tǒng)的實際裝機情況我們在供水系統(tǒng)各裝二套傳動之星風機水泵型SD-YP變頻調速控制柜，其中1#變頻柜供兩臺55KW水泵切換（循環(huán)）使用；2#變頻柜供兩臺93KW水泵切換（循環(huán)）使用，兩套變頻調速控制柜共用一套自動控制系統(tǒng)及中央電腦監(jiān)控系統(tǒng)（工控機）（如圖二所示）
（1） 系統(tǒng)控制
整個系統(tǒng)控制信號，包括壓力設定信號，工頻和變頻故障信號處理，水位故障檢測處理均由主控PLC或監(jiān)控電腦設定，上位機監(jiān)控系統(tǒng)主要通過中央電腦監(jiān)控系統(tǒng)（工控機）完成對工藝流程參數(shù)的檢測、各機組的協(xié)調控制以及數(shù)據(jù)的處理、分析等任務，下位機PLC主要完成數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場設備的控制及連鎖等功能。 對于整個系統(tǒng)的運行信號進行綜合，尤其是當出現(xiàn)故障狀態(tài)時的系統(tǒng)處理操作，是整個系統(tǒng)的核心控制部分。
（2） 變頻器內部控制
變頻器內部控制及功能，主要是指變頻器內部PID功能模塊，內部PID功能使現(xiàn)場技術員設置和調試方便，相對于原來的硬件PID板控制，省去了硬件維護需要，節(jié)省了成本。主控環(huán)節(jié)的壓力設定信號與系統(tǒng)壓力信號反饋形成閉環(huán)以維持管網(wǎng)恒定壓力（簡稱閉環(huán)控制）。變頻器還具有休眠功能，內置RS485或RS232通訊接口，采用聯(lián)機控制。
（3） 電機控制
本方案的控制方式將按恒壓供水系統(tǒng)的通用自動功能進行設計。
變頻供水改造系統(tǒng)是在保留原有工頻系統(tǒng)的基礎上加裝的，（SD-YP）風機水泵型變頻器本身就還具有工頻、變頻轉換功能，變頻節(jié)能系統(tǒng)的聯(lián)動控制功能與原工頻系統(tǒng)的聯(lián)動控制功能相同，變頻節(jié)能系統(tǒng)與原工頻系統(tǒng)之間要設置聯(lián)鎖以確保系統(tǒng)工作安全。
（4）系統(tǒng)執(zhí)行控制
用壓力傳感器對供水系統(tǒng)母管（供水管道）出口的水壓進行采樣，轉換成電量信號后送至PID控制器，控制器將該信號與設定值進行比較運算后輸出一類比信號（一般為4—20MA、0—10V）給變頻器，變頻器根據(jù)該類比信號決定其輸出頻率，改變水泵轉速并調節(jié)供水壓力（供水量）以達到恒壓供水的目的（如圖三所示）。
（5）PLC硬件設計
PLC選用PLC-VB系列產品,水泵M1、M2、M3、M4、可變頻運行，也可工頻運行，需要PLC的四個輸出信號控制，變頻器的運行與關斷全由PLC的一個輸出信號控制，變頻器極限頻率的檢測信號占用PLC的一個輸入點，設定水壓的上、下限壓力值，當管網(wǎng)壓力處于上、下限位置時，傳感器分別輸出頻率檢測信號進入PLC的兩個輸入點，與變頻器一起實現(xiàn)。保證管網(wǎng)的壓力平穩(wěn)。三．供水系統(tǒng)壓力的保障
變頻供水改造系統(tǒng)的變頻節(jié)能系統(tǒng)在實際使用中要考慮水泵的轉速與揚程的平方成正比的關系，以及水泵的轉速與管損平方成正比的關系；在水泵的揚程隨轉速的降低而降低的同時管道損失也在降低，因此，系統(tǒng)對水泵揚程的實際需求一樣要降低；而通過設定變頻器下限頻率的方法又可保證系統(tǒng)對水泵揚程的最低需求。供水壓力的穩(wěn)定和調節(jié)量可以通過PID參數(shù)的調整。當供水需求量減少時，管道壓力逐漸升高，內部PID調節(jié)器輸出頻率降低，當變頻器輸出頻率低至0HZ時，而管道在一設定時間內還高于設定壓力，變頻器切斷當前變頻控制泵，轉而控制下一個原工頻控制泵，變頻器在水泵控制轉換過程中，逐漸輪換使用水泵，使每個水泵的利用率均等，增加系統(tǒng)、管道壓力的穩(wěn)定性和可靠性。四．傳動之星變頻器在變頻供水改造系統(tǒng)的特點
1．穩(wěn)定整個系統(tǒng)的正常運行，抗干擾能力強；
2．實現(xiàn)了電機的軟啟動，延長了設備的使用壽命，避免了對電網(wǎng)的沖擊；
3．內置PID功能，可接受多種給定、反遺信號；
4．具有節(jié)電、市電和停止三位鎖定開關，便于轉換及管理；
5．保護功能完善，可遠程控制；
6．操作簡單，具有鍵盤鎖定功能，防止誤操作；
7．超靜音優(yōu)化設計，降低電機噪聲；
8．高效節(jié)能，投資回收快，環(huán)保效果顯著,可實現(xiàn)節(jié)電20%～40%。五．結語
變頻器的高性能和完善的功能，使其在各個行業(yè)得到了廣泛的應用，其中變頻調速整置在各類調速系統(tǒng)中使用時其節(jié)能效果對于單臺設備可做到10～60%，在風機水泵這類設備上的應用節(jié)能效果對于單臺設備可做到10～50%，在未受到其它因素的影響的情況下一般可取上限或根據(jù)壓力、流量來調節(jié)頻率，這些節(jié)能效果平均值是由實際數(shù)據(jù)再進行一些簡單的投資回收率的計算可知：變頻節(jié)能裝置的投資加收期一般為4～15個月。
2．實現(xiàn)了電機的軟啟動，延長了設備的使用壽命，避免了對電網(wǎng)的沖擊；
3．內置PID功能，可接受多種給定、反遺信號；
4．具有節(jié)電、市電和停止三位鎖定開關，便于轉換及管理；
5．保護功能完善，可遠程控制；
6．操作簡單，具有鍵盤鎖定功能，防止誤操作；
7．超靜音優(yōu)化設計，降低電機噪聲；
8．高效節(jié)能，投資回收快，環(huán)保效果顯著,可實現(xiàn)節(jié)電20%～40%。五．結語
變頻器的高性能和完善的功能，使其在各個行業(yè)得到了廣泛的應用，其中變頻調速整置在各類調速系統(tǒng)中使用時其節(jié)能效果對于單臺設備可做到10～60%，在風機水泵這類設備上的應用節(jié)能效果對于單臺設備可做到10～50%，在未受到其它因素的影響的情況下一般可取上限或根據(jù)壓力、流量來調節(jié)頻率，這些節(jié)能效果平均值是由實際數(shù)據(jù)再進行一些簡單的投資回收率的計算可知：變頻節(jié)能裝置的投資加收期一般為4～15個月。
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