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变频恒压供水资讯
供水系统的变频调速改造
供水系统的变频调速改造

时间:2013/12/22 21:58:01

  核心提示:1引言企业自备水厂是我国在一定历史条件下的产物,由于受建设时期技术经济发展水平局限,水厂设备设施选择落后,控制保护系统不完善,系统运行经济性很差。虽然国家近年来相继采取了一系列政策措施,关、停、并、转...

1 引言
企业自备水厂是我国在一定历史条件下的产物,由于受建设时期技术经济发展水平局限,水厂设备设施选择落后,控制保护系统不完善,系统运行经济性很差。虽然国家近年来相继采取了一系列政策措施,关、停、并、转了部分企业自备水厂。但是对于大中型国有企业,尤其是国家重点骨干企业的自备水厂,在社会保障体系并不十分完善的今天,它还将在相当长的时期内运转。因此,企业如何减少自备水厂系统故障、降低运行成本高,是节能降耗提高经济效益的当务之急。现代变频调速技术的广泛应用,为进行供水系统节能改造提供了保障。

2 供水加压泵站基本状况及特点
2.1 供水加压泵站基本状况
本文所介绍的改造供水加压泵站建成至今已运行20年左右,其配置有3台水泵(每台泵额定流量200m3/h),电机容量75kw,采用自耦降压启动控制,一回路400v电源供电,供水扬程80m,管网出水口压力0.75mpa,日供水量8000m3。从20世纪90年代后期开始,系统时常发生管网破裂、设备损坏等各种突发故障,造成供水中断,严重影响企业正常生产、生活用水。
2.2 加压泵站供水系统特点
(1) 主要满足企业生产工作用水需要,同时兼顾职工家属生活用水;
(2) 由于生产生活用水时限差异,供水系统负荷变化较大,用户用多少水?什么时候用水?哪些用户用水等具有很大的不确定性;
(3) 供水负荷的不确定性非线性变化,对设备管网产生较大冲击,形成各种故障隐患,供水可靠性差;
(4) 采用启停水泵以及节流阀调整方式,控制调节水压和流量,以满足用户的用水要求,无负荷自动调节系统,运行电能消耗成本较大,系统经济性差。

3 变频调速恒压供水改造
3.1 变频调速技术在供水系统中的应用
供水系统中使用的泵类设备属于平方转矩负载,其转速n与流量q、压力h以及轴功率p有如下关系:q∝n,h∝n2,p∝n3,即:流量与转速成正比,压力与转速平方成正比,轴功率与转速立方成正比。从上述分析可知,通过改变电动机转速即可方便地改变水的流量,保证水压恒定,达到恒压供水目的;通过改变电动机转速,在降低水流量的同时,可以有效降低系统的电能损耗。
根据电机理论,电动机转速n=60f(1-s)/p,从式中可以看出,改变电动机转速有三种方式:
(1) 改变电动机的极对数p;
(2) 改变电动机的转差率s;
(3) 改变供电电源频率f。
对于大容量、高速运转的泵类电动机,采用前面两种方式进行调速控制,技术及制造工艺上存在一定困难。因此,对水泵电动机调速的最佳选择就是采用第三种方式:改变供电电源频率f。随着现代制造技术的发展、新材料新工艺的不断应用,变频器性能日趋稳定、功能更加完善,变频调速技术正逐渐广泛应用于各类电动机调速控制系统中,尤其是泵类及风机类电动机。
3.2 使用变频器调速运行的主要优点
(1) 实现了电动机软启动,自由停车,避免水泵频繁启停
电动机均通过变频器从0~50hz作缓慢加速启动,经测量,变频运行时起动电流<5a,而工频直接起动电流>300a,因此,变频运行完全消除了因直接启动造成的对电动机和电网的冲击,降低了电动机故障率,从而避免了水泵因突然高速启动所带来的对管网的冲击,减少管网爆管故障;
(2) 实现恒母管水压控制
均匀平滑调节电机转速,可实现水压自动调控,增强了系统的稳定性和可靠性。操作人员只须改变母管压力设定值,不再调整节流阀,运行自动化程度大为提高,运行和维护工作量降低。
(3) 管道压力降低
原来节流调节时,流量变小时,管道压力反而升高,容易爆管,不利于管道安全运行,而采用变频调节后,流量变小时,管道压力亦变低。
(4) 消除了泵的喘震现象,使泵处于最佳运行工况状态
(5) 提高了功率因数
从电网侧看,工频运行时功率因数为0.85左右,变频运行时功率因数达到0.95,因此,改善了电机电源质量,使电机运行功率与实际负荷相匹配,即使同样是满负荷运行,变频运行时,输入电流明显比工频运行时小,这也有利于节能和设备安全运行;
3.3改造方案
(1) 方案简介
根据加压泵站3台水泵实际设备设施配置情况,增设75kw变频装置及循环控制装置各一套,分别接至原有各控制柜的输出端,使每台水泵电机都能单独进入自动恒压供水闭环控制系统。保留原有降压启动电控柜,作为备用,在自动系统出现故障时,可转换到手动控制,使备用电控柜投入运行,确保正常供水。
改造采用大循环方式,由3台水泵、变频器柜、plc控制器、循环控制柜、启动柜以及压力变送器组成一个闭环系统。压力变送器将管网压力变化值转换成电信号,送入变频器变频器根据设定值自动调节电机转速,改变供水流量,使管网出水压力始终保持恒定,实现自动调节恒压供水。系统框图如图1所示。

供水系统的变频调速改造

图1 恒压供水系统框图
(2) 工作原理
运行由变频柜与循环转换柜、水泵、水流、压力传感装置构成的闭环自控系统,首先由变频柜软启动1#水泵,变频器频率从零升至50hz,水泵达到额定转速。此时供水压力若达不到设定的压力,系统自动将1#水泵切换到工频恒速运行,变频器再软启动2#水泵,进行调速供水,如还达不到设定压力,系统又自动将2#水泵切换到工频恒速运行,变频器又再软启动3#水泵,直到达到设定压力,变频器始终停留在某一水泵上调速运行。如运行中变频泵频率降至设定的最低频率,供水水压大于设定压力,系统将自动停止最先启动的水泵,如仍大,再停第二次启动的水泵。在夜间运行时,当最后一台变频泵频率降到设定的最低频率,此时供水压力还大于设定的压力时,变频装置将进入休眠状态,系统自动停止水泵工作。此时由压力传感装置监视管网压力,若低于设定压力的0.05mpa,变频装置自动唤醒,启动水泵补水。该系统就如此循环启动、调速运行、停止,不断进行调整,达到恒压供水的目的。
(3) 主要功能特性
系统设有手动、自动;3台泵循环或2台泵循环;指定泵运行以及按原有方式运行等多种工作控制模式,选择方便,保证了整个加压泵站供水系统在任何情况下均能正常供水;
该系统具有自动循环起停和水泵定期自动交换运行功能,使各水泵运行时间均衡,避免了某些水泵长期运行磨损严重,而某些水泵又因长期停用(锈死)到用时又不能运行的现象;
所有水泵均可实现软启动,对电网、管网及机械无冲击,从而极大地减少了设备的维修,延长了设备的使用寿命;
系统具备完善的故障自诊断、报警和故障保护功能;
设有清水池水位控制,可连续监视液位变化,并有上下限液位报警,避免水池缺水,造成水泵空抽事故和水满溢出;
系统具有标准的通讯接口,可直接与微机联网,实现微机自动化管理。
3.4 改造经济性分析
(1) 基本情况
根据加压泵站改造前后3年运行的有关数据统计,以下述基本参数为基础进行分析:
2台水泵全年每天24h运行,总运行时间365×24=8760h; 供水总流量qn=2×200=400m3/h; 水泵的标称扬程80m(最大扬程90m); 用户扬程75m;水泵的标称效率76%; 电机的额定功率p=2×75=150kw; 电机的标称效率84%; 变频器的标称效率95%。电费综合价格0.60元/kw·h。附表所示为不同流量工作时间统计表。
附表 不同流量工作时间统计表

供水系统的变频调速改造

(2) 运行节能计算
原系统每年运行所耗电量为:866497kw·h
变频调速恒压供水改造后每年运行所耗电量为:694399kw·h
年节电量:172098kw·h
节约电费:103259元
年节电率:19.8%
改造工程总费用:15.6万元
投资回收期:1.5年(从实际运行费用收支情况,2年即收回了全部投资)
(3) 运行曲线
设备的运行曲线如图2所示。

供水系统的变频调速改造

图2 设备的运行曲线
从图2中可看出,在同一流量下,改造后功率明显减小,所耗电量也明显减小,节约了电能。

4 结束语
加压泵站从2000年进行变频调速技术改造运行至今,取得了明显的经济效益和社会效益:系统故障停水基本消失,设备停运检修时间大大延长,供水可靠性有了极大提高,保证了企业生产生活用水的需要。但在改造及运行过程中,有许多经验值得总结:
(1) 改造所用变频器、plc控制器变送器及接触器等主要元气件必须选用著名企业的优质产品;
(2) 必须对工作环境进行同步改造,以确保变频系统正常运行;
(3) 坚持定期对变频系统进行维护保养;
(4) 定期进行系统参数校核;
(5) 尽量采用成熟的新技术,以提高系统可靠性。

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