变频调速技术在水泵调节控制系统中的应用

    水泵是城市给水系统中最主要的耗能设备，根据对多个送水泵房中运行水泵的调查发现，大多数水泵的实际运行扬程小于水泵的铭牌扬程，有的甚至相差30％以上，因此导致了水泵运行效率降低，能源浪费严重，电机时常超负荷运行，变频调速是一项有效的节能降耗技术，其节电率很高，几乎能将因设计冗余和用量变化而浪费的电能全部节省下来；它具有调速精度高、功率因数高等特点，使用它可以提高产品质量、产量，并降低物料和设备的损耗，同时也能减少机械磨损和噪音，改善车间劳动条件，满足生产工艺要求；对于用水量经常变化的场合，采用变频调速泵供水，可以显著降低节流损耗，具有明显的节能效果。

1变频调速节能原理

    调速节能的原理在于提高泵机组的能量利用率，使能量的需求与供应相匹配，减少能量损失，能量利用率是对泵机组能耗评价的重要标志，它与管道设计、机泵选型、泵和电机的运行效率有密切关系，见公式(1)～(3)：

    不难看出，要提高能量利用率，就应提高泵和电机的运行效率，减小泵的剩余扬程，当泵的制造技术达到一定水平时，其效率已很难继续提高，当泵和电机已确定时，系统的能量利用率主要与泵的剩余扬程有关，其次是泵的运行状态(是否在高效区)，变频调速就是从这两个方面来提高Yr，从而达到节能目的的，从理论上讲通过适当调节，可使剩余扬程为0，并使泵在高效区工作，对剩余扬程较高的系统，其节能效果是十分显著的。

    管道和泵的特性曲线见图1.

    图1 管道和泵的特性曲线

    从图1可以看出，当系统在M点(通常称为泵和管道系统的工作点)工作时，从和从相等，△H=0,没有扬程损失，能量利用率较高，当操作流量减小时，由管路特性曲线可知，其压降降低，即所需泵的扬程减小;而由泵特性曲线可知，泵所提供的扬程增加，二者的“剪刀差”使能量利用率迅速降低，损失的能量白白地消耗在出口节流上而浪费掉了，而且节流阀调节时，往往使泵偏离了高效区，造成泵的运行效率降低。

    据有关资料介绍，目前水厂许多机泵的运行很不经济，机泵选型不当，不但泵和电机的实际运行效率低，而且泵的剩余扬程也很高，平均能量利用率仅30%左右，低的甚至不足10%，如果采用变频调速技术，则可调整泵的转速，使泵的特性曲线下移(见图1)，系统新的工作点为尸点，泵的出口扬程与管路总压降相等，没有剩余扬程，不存在节流损失，因而能量利用率最高，根据相似原理，调速后泵的效率近似相等，可保证泵在高效区工作，即泵的运行效率高，因此节能效益十分可观。

2变频给水的工作模式

    变频恒压供水节能的效果主要取决于用水流量的变化情况及水泵的合理选配，为了使变频恒压供水具有优良的节能效果，变频恒压供水宜采用多泵并联的供水模式，由多泵并联恒压变频供水理论可知多泵并联恒压供水，只要其中一台泵是变频泵，其余全是工频泵，可以实现恒压变量供水，在变频恒压变量供水当中，变频泵的流量是变化的，当变频泵流量是各并联泵中最大时，即可保证恒压供水，多泵并联恒压供水，在设计上可做到在恒压条件下各工频泵的效率不变(因工况不变)，并使之处于高效率区工作，变频泵的流量是变化的，其工作效率随流量而改变，因为采用多泵并联恒压供水，变频泵的功率降低，从而可以降低多泵并联变频恒压供水系统的能耗，改善节能状况。

    当多泵并联恒压供水系统采用具有自动睡眠功能的变频器，当用水流量接近于零，变频泵能自动睡眠停泵，从而可以做到不用水时自动停泵而没有能量损耗，具有最佳的节能效果，对于变频恒压变量给水通常有两种工作模式，一是变频泵固定工作方式，二是变频循环软启动工作方式。

    2.1变频泵固定方式

    在变频泵固定方式中，当用水流量小于一台泵在工频恒压条件下的流量时，由一台变频泵调速恒压供水;用水流量增大，变频泵的转速自动上升;当变频泵的转速上升到工频转速时，用水流量进一步增大，由变频供水控制器控制，自动启动一台工频泵投入，该工频泵提供的流量是恒定的(工频转速恒压下的流量)，其余各并联工频泵按相同的原理投入。

    在多泵并联变频恒压变量的供水情况下，当用水流量下降时，变频调速泵的转速下降(变频器供电频率下降);频率下降到零流量的时候，变频供水控制器发出一个指令，自动关闭一台工频泵使之超出并联供水，为了减少工频泵自动投入或超出时的冲击(水力的或电流的冲击)，在投入时，变频泵的转速自动下降，然后慢慢上升以满足恒压供水的要求，在超出时，变频泵的转速应自动上升，然后慢慢下降以满足恒压供水的要求，上述频率自动上升、下降由供水变频控制器控制，各并联水泵都是按工频方式自动投入或超出的，因为变频泵固定不变，用水流量变化，变频泵始终处于运行状态，因此变频泵的运行时间最长。

    2. 2变频泵软启动循环方式

    这是一种恒压变量循环状启动并先开先停的工作模式，在这种供水模式中，当供水流量少于变频泵在恒压工频下的流量时，由变频泵自动调速供水，当用水流量增大，变频泵的转速升高，当变频泵的转速升高到工频转速，由变频供水控制器控制把该台水泵切换到由工频电网直接供电(不通过变频器供电)，变频器则另外启动一台并联泵投入工作，随用水流量增大，其余各并联泵均按上述相同的方式软启动投入，这就是循环软启动投入方式。

    显然，具有变频泵自动轮换控制的变频恒压变量供水系统，变频泵是定时改变的，即任何一台并联泵都有可能成为变频泵，由变频恒压变量供水理论可知，为了保证恒压供水，变频泵的流量必须是各并联泵中的最大者，为此，对于变频恒压供水并变频泵自动定时轮换的水机，各并联水泵的流量大小应相同以保证恒压供水。

    按变频器工作原理，在运行中的变频器不允许在其输出端进行切换;否则在切换过程中会使变频器中的某些电子器件受到大电流冲击而降低其寿命，在变频泵自动轮换过程中，要在变频器的输出端进行切换;为了保护变频器，在进行自动切换之前应使变频器停止运行，在变频器停止运行的条件下，在其输出端进行切换，在切换好后再重新启动变频器而恢复正常运行，因此，自动轮换控制的电路比较复杂，会增加变频控制柜的造价并降低其使用可靠性，当变频恒压变量供水系统具有变频泵自动轮换功能，其优点是各并联泵可定时轮换到变频运行，使各并联泵的磨损均衡，但是，在任一台泵变频运行时，万一水泵故障有可能使变频器保护跳闸而停止工作，各并联水泵是由变频器控制运行的;当变频器跳闸，必然使所有并联水泵停机而中断供水。

    因此，当水泵的可靠性一定，具有自动轮换控制功能的变频恒压供水机的供水可靠性将低于不具备自动轮换控制功能的变频恒压供水机，笔者认为，供水可靠性是主要矛盾，因此不主张采用具有自动轮换控制功能的变频恒压给水系统，多泵并联，循环软启动的变频恒压给水系统，同样存在上述变频恒压自动轮换工作模式的缺点。

3变频调速技术在水厂的应用效果

    兰州某水厂安装8台变频器，分别对8台不同型号的离心泵进行变频恒压供水控制，恒压供水就是用户端在任何时候，不管用水量的大小，总能保持管网中水压的基本恒定，因此在恒压供水系统中，为保持管网水压的基本恒定，需要变频器根据给定的压力信号与管网水压的反馈信号进行比较以调节水泵的转速，达到控制管网中水压的目的。

    考虑到该水厂是一个小型水厂，供水能力有限，拟选择带PID调节器的由通用变频器组成的变频调速恒压供水技术方案，其原理方框图如图2所示。

    图2 变频调速恒压供水原理方框图

    由原理方框图可见，由于用水量的变化，使供水压力发生变化，通过压力传感器将压力反馈信号传送给PID调节器，经于设定压力比较判断后，输出调整水流量，使供水压力重新回到设定的压力值。

    安装变频器前，泵排量依靠泵出口阀调节控制，电能消耗大、泵压高，泵的机械密封等部位也容易刺漏，维修频繁，安装变频器后，泵的出口调节阀无须作任何调节，便解决了泵在低负荷工况下的运行问题，又降低了电机的输入功率，节约了用电量，降低了电能消耗，安装变频调速前后泵的工况对比见表1。

    表1 安装变颇调速泵的前后工况对比

4结束语

    从表1可以看出，使用变频器后泵的实际功率都有所降低，电量消耗大大减少，按运行300d计算，年可节约电量122 x 104 kW·h，按电价0. 62元kW·h计算，年可节约费用75. 6*104元，变频调速技术的应用不仅提高了泵的工作效率，降低了电耗，节约了成本，而且延长了机泵的检修周期和使用寿命，保障了生产运行，提高了自动化水平，减轻了工人的劳动强度。