1、概述
恒壓供水是指在供水網系中用水量發生變化時,出口壓力保持不變的供水方式。供水網系的出口壓力值是根據用戶需求確定的。傳統的恒壓供水方式是采用水塔、高水位箱、氣壓罐等設施實現的。
近年來,隨著變頻調速技術的日益成熟,其顯著的節能效果和可靠穩定的控制方式,在供水系統中得到廣泛的應用。變頻恒壓供水系統對水泵電機實行無級調速,依 據用水量及水壓變化通過微機檢測、運算,自動改變水泵轉速保持水壓恒定以滿足用水要求,是目前*********,合理的節能供水系統。與傳統的水塔、高位水箱、氣壓 罐等供水方式比較,不論是投資、運行的經濟性、還是系統的穩定性、可靠性、自動化程度等方面都具有優勢。
2、變頻恒壓供水控制系統的主要特點:
(1)高效節能。與傳統供水方式相比變頻恒壓供水能節能30%-60%。
(2)占地面積小,投入少,效率高。
(3)配置靈活,自動化程度高,功能齊全,靈活可靠。
(4)運行合理,由于一天內的平均轉速下降,軸上的平均扭矩和磨損減少,水泵的壽命將大為提高。
(5)由于能對水泵實現軟停和軟起,并可消除水錘效應(水錘效應:直接起動和停機時,液體動能的急劇變人,導致對管網的極大沖擊,有很大破壞力)。
(6)操作簡便,省時省力。
3、變頻恒壓供水控制系統的主要應用場合
(1)高層建筑,城鄉居民小區,企事業等生活用水。
(2)各類工業需要恒壓控制的用水,冷卻水循環,熱力網水循環,鍋爐補水等。
(3)中央空調系統。
(4)自來水廠增壓系統。
(5)農田灌溉,污水處理,人造噴泉。
(6)用水量變化大,供水壓力要求穩定及各種流體恒壓控制系統。
4、變頻恒壓供水的節能原理
圖1
圖1為水泵調速時的全揚程特性(H-Q)曲線。橫坐標為水泵流量Q,縱坐標為水泵揚程H。泵的揚程和出水壓力是線形關系,因此也可近似表示為出水壓力P。H1A是恒壓線,n1、n2、…n0是不同轉速下的H-Q特性??梢?,在n1轉速下,如果通過控制閥門開度使流量從Qa減小到Qc時,壓力將沿n1曲線升高到D點。很顯然,在減少流量同時,提高了壓力(DC段是壓力升高值)。如果將轉速由n1減小到n3,則流量沿著恒壓線從Qa減小到Qc時,而壓力沒變。
據水泵的特性曲線公式:
PL=QρH/ηb·η×10-3-------------------------(1)
式中: PL─水泵使用工況軸功率(kW);
Q─泵每秒排出的流量;
ρ─液體的比重(N/m3),水的比重ρ=9810 N/m3;
H─泵的揚程;
ηb─泵的效率;
η─傳動機構的效率;
可以求出運行在D點和運行在C點的水泵工況軸功率分別為:
PD= QCΡH2/ηb·η×10-3----------------(2)
PC= QCΡH1/ηb·η×10-3----------------(3)
兩者之差為:
ΔP= PD-PC= QCΡ(H2-H1)/ηb·η×10-3------(4)
也就是說,用閥門控制流量時,有ΔP功率被損耗浪費掉了,且隨著閥門不斷關小,這個損耗還要增加。而用轉速控制時,根據流量Q、揚程H、功率P和轉速N之間的關系,有:
Q2 / Q1=N2 / N1
H2 / H1=(N2 /N1 )2 ----------------(5)
P2 / P1=( N2 / N1 )3
由 (5)式可知,流量Q與轉速N的一次方成正比;揚程H與轉速N的平方成正比;軸功率P與轉速N的立方成正比,即功率與轉速成3次方的關系下降。如果不是用 關小閥門的方法,而是把電機轉速降下來,那么在轉運同樣流量的情況下,原來消耗在閥門的功率就可以全避免,從而獲得圖1中H2-H1-C-D矩形區域大小的節能效果,這就是水泵調速節能原理。
變頻調速的基本原理是根據交流電動機工作原理中的轉速關系:
N=60f(1-s)/p ----------------(6)
由(6)式可知,均勻改變電動機定子繞組的電源頻率f,就可以平滑地改變電動機的同步轉速。電動機轉速變慢,軸功率就相應減少,電動機輸入功率也隨之減少。這就是水泵變頻調速的節能作用。
5、變頻調速控制系統的設計原理
目前水泵控制系統中使用變頻調速技術,大部分是采用閉環調速控制,即自動采集外界條件的變化如壓力等信號通過PID調節來改變變頻器的頻率值,以達到調速目的。變頻調速控制系統原理框圖如圖2所示。
圖 2
通過采集供水點水壓,反饋至控制器,與水壓設定值比較,產生的偏差經PID調節后輸出信號至變頻器,實現水泵電機的變頻變速運行,從而獲得穩定的出水水壓。
系統主要由四部分組成:
(1)水泵電機;
(2)變頻調速器;
(3)壓力傳感器
(4)控制器(PID調節)
系統的控制過程為:由壓力傳感器將出水口壓力測出,并轉換成與之相對應的0—5V(或4~20mA等)標準電信號,送到控制器與工藝所需的設定值進行比較,得出偏差。其偏差值由調節器按預先規定的調節規律進行運算得出調節信號,該信號經過處理送到變頻器,從而使變頻器將輸入為380V/50Hz的工頻交流電變成輸出為0~380V/0~50—60Hz連續可調電壓與頻率的交流電,直接供給水泵電機。
水泵電機裝上變頻調速器后,節能效果非常顯著,經過實測,比未裝變頻器節約43%左右的電能,而且生產工藝穩定。
(1)節能效果非常顯著,采用變頻調速技術后,提高了電機的功率因數,減少了無功功率消耗,具有明顯的經濟效益。
(2)采用變頻調速技術后,電機定子電流下降,電源頻率下降,水泵出水壓力恒定。由于電機水泵的轉速普遍下降,電機水泵運行狀況明顯改善,延長了設備的使用壽命,降低了設備的維修費用。同時,由于變頻器啟動和調速平穩,減少了對電網的沖擊。
(3)系統采用閉環控制,參數超調波動范圍小,偏差能及時進行控制。變頻器的加速和減速可根據工藝要求自動調節,控制精度高。
(4)由于變頻調速器具有十分靈敏的故障檢測、診斷、數字顯示功能,提高了電機水泵運行的可靠性。