潘東明

(1．中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

基于變頻器的恒壓供水系統(tǒng)在選煤廠中的應(yīng)用

潘東明1，2

(1．中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

針對(duì)韓城侃達(dá)選煤廠存在生活供水壓力不穩(wěn)、供水不足的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于ABB ACS510供水專用變頻器的恒壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)由水泵、壓力傳感器、變頻器、閥門等組成。應(yīng)用結(jié)果表明：該系統(tǒng)確保了選煤廠供水壓力基本恒定，提高泵房的自動(dòng)化程度，改善了選煤廠的生活環(huán)境，達(dá)到了穩(wěn)壓節(jié)能的目的，對(duì)提高選煤廠自動(dòng)化水平有著深遠(yuǎn)影響。

恒壓供水系統(tǒng)；變頻器；選煤廠；PID控制

選煤廠一般建在遠(yuǎn)離城市的郊區(qū)或山區(qū)，通常有一套自己獨(dú)立的供水系統(tǒng)。目前大多選煤廠采用的是傳統(tǒng)的水塔、高位水箱或清水泵恒速運(yùn)轉(zhuǎn)的給水方式，這些供水方式都存在一定的問(wèn)題，如塵埃堆積、銹蝕和細(xì)菌等產(chǎn)生的供水箱衛(wèi)生安全問(wèn)題；當(dāng)用水量較大時(shí)，水塔水位下降幅度大，導(dǎo)致供水壓力變化過(guò)大，水壓不穩(wěn)定，造成很多樓層，尤其是食堂、浴室、衛(wèi)生間等地方出現(xiàn)供水不足的狀況，給選煤廠的職工生活帶來(lái)了諸多不便，也直接影響選煤廠的安全生產(chǎn)。為了改善選煤廠供水系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出了基于變頻器恒壓供水的方案的改造設(shè)計(jì)。變頻器恒壓供水技術(shù)可以在保證供水壓力恒定的情況下，自動(dòng)根據(jù)用水量的變化調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速，在不用水或用水量較小的情況下處于休眠狀態(tài)，并根據(jù)需要自動(dòng)啟停水泵，從而實(shí)現(xiàn)工頻與變頻的自動(dòng)切換。此系統(tǒng)節(jié)約電能，延長(zhǎng)了水泵的使用壽命，減少了水泵的維修量，提高泵房的自動(dòng)化程度，減少操作工人的數(shù)量，對(duì)改善選煤廠的生活條件和提高選煤廠自動(dòng)化水平具有重要的意義。

1 系統(tǒng)控制原理

變頻器恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，即根據(jù)用水量的變化調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水的目的。流體力學(xué)水泵流量與轉(zhuǎn)速、電動(dòng)功率的關(guān)系可表示為:

式中：Ps為變頻轉(zhuǎn)速下的實(shí)際輸出軸功率，kW；Pe為額定流量時(shí)的軸功率，kW；Qs為變頻轉(zhuǎn)速下的實(shí)際流量，m3/h；Qe為額定流量，m3/h；Hs為實(shí)際出口壓力，m；He為額定出口壓力，m；ns為實(shí)際轉(zhuǎn)速，r/min；ne為額定轉(zhuǎn)速，r/min。

由上式可知，用水量和供水量之間的不平衡集中反映在供水的壓力H上，即用水量多供水量少，則供水壓力低；用水量少供水量多，則供水壓力大。若要保持供水系統(tǒng)壓力的恒定，提高供水的質(zhì)量，供水和用水之間需要保持一定的平衡關(guān)系，即用水量多供水量多，用水量少供水量也少。在一定壓力下，根據(jù)用水量的變化調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水的要求，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓節(jié)能的目的。當(dāng)供水壓力恒定時(shí)，實(shí)際流量下降20%，則實(shí)際轉(zhuǎn)速ns也下降20%，軸功率Ps降為原來(lái)的51.2%，考慮到水泵效率降低對(duì)供水系統(tǒng)效率的影響，實(shí)際操作情況下，軸功率Ps可降低20%～40%。因此，通過(guò)變頻器控制水泵并調(diào)速控制流量,是一種保證供水質(zhì)量、恒壓節(jié)能的措施[1-4]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)現(xiàn)方式的選擇

目前變頻調(diào)速供水的實(shí)現(xiàn)方式主要有四種方式，分別是邏輯電子電路控制方式、單片微機(jī)電路控制方式、帶PID回路調(diào)節(jié)器和可編程序控制器(PLC)的控制方式、供水專用變頻器。選取供水專用變頻器作為變頻供水的方式，這是因?yàn)樵撟冾l器綜合了PID調(diào)節(jié)器以及簡(jiǎn)易可編程控制器的功能，形成了具有各種應(yīng)用宏的新型變頻器。由于PID運(yùn)算在變頻器內(nèi)部，省略了對(duì)可編程控制器存貯容量的要求和對(duì)PID算法的編程，且PID參數(shù)在線調(diào)試容易實(shí)現(xiàn)，不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大幅度提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的PID調(diào)節(jié)器采用優(yōu)化算法，使得水壓的調(diào)節(jié)過(guò)程十分平滑，穩(wěn)定。同時(shí)，為了保證水壓反饋信號(hào)值的準(zhǔn)確、不失值，可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行換算，該系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程簡(jiǎn)單便捷。系統(tǒng)采用的變頻器成本僅略高于通用變頻器，但其功能強(qiáng)大，性能優(yōu)越。因此在滿足工藝要求的情況下優(yōu)先采用帶有內(nèi)置PID功能的變頻器的恒壓供水設(shè)備，有著低設(shè)備成本、高生產(chǎn)效率，節(jié)約安裝調(diào)試時(shí)間的優(yōu)勢(shì)[5-8]。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

系統(tǒng)主要由變頻器ACS510、主/輔水泵、管網(wǎng)、壓力傳感器、壓力變送器等組成，變頻器恒壓供水系統(tǒng)流程圖如圖1。

壓力傳感器負(fù)責(zé)對(duì)管網(wǎng)實(shí)際壓力進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)壓力變送器將0～1 MPa的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)?～20 mA的電流信號(hào)傳至變頻器的AI信號(hào)端，由變頻器進(jìn)行PID調(diào)節(jié)后將變頻電源輸出至主/輔泵。

圖1 變頻器恒壓供水系統(tǒng)圖流程圖

該系統(tǒng)的核心元件為ABB公司生產(chǎn)的ACS510變頻器。系統(tǒng)的全部控制邏輯由內(nèi)置在ACS510變頻器中的SPFC(循環(huán)軟啟動(dòng)控制)功能實(shí)現(xiàn)。其控制板I/O控制連接示意圖如圖2所示。

2.3 系統(tǒng)的工作邏輯

系統(tǒng)中1拖2控制的主回路電路圖和1拖2控制的二次回路電路圖分別如圖3和圖4所示。結(jié)合圖3-4進(jìn)行分析可知，若SA旋鈕位于自動(dòng)位置，變頻器可根據(jù)管網(wǎng)實(shí)際壓力值與PID的給定值進(jìn)行比較，自動(dòng)投切1#、2#水泵并切換工/變頻，具體工作邏輯如下：

(1)按下啟動(dòng)按鈕KT，啟動(dòng)變頻器，RO2(變頻器輸出繼電器2)閉合，接觸器KM2也吸合，此時(shí)系統(tǒng)禁止調(diào)制。

(2)傳動(dòng)單元經(jīng)歷一段PFC啟動(dòng)延時(shí)(參數(shù)8122)，此時(shí)調(diào)制仍被禁止，傳動(dòng)單元需等待所有接觸器穩(wěn)定。

(3)允許調(diào)制，1#水泵變頻起動(dòng)，調(diào)制從零速啟動(dòng)。當(dāng)用水量較小時(shí)，啟動(dòng)1#水泵即可滿足要求，此時(shí)1#泵即為調(diào)節(jié)泵，變頻器根據(jù)反饋回來(lái)的實(shí)際壓力值調(diào)整輸出頻率，使實(shí)際壓力與設(shè)定壓力相近。

(4)如果實(shí)際壓力小于給定壓力且當(dāng)輸出頻率超過(guò)啟動(dòng)頻率1(參數(shù)8109)時(shí)，啟動(dòng)延時(shí)(參數(shù)8115)后，2#水泵(輔機(jī))即投入。當(dāng)輔機(jī)啟動(dòng)延時(shí)完畢后，變頻器自由停車，RO2打開，KM2斷開，1#水泵停車。

圖2 ACS510的控制板I/O控制連接示意圖

(5)變頻器等待PFC啟動(dòng)延時(shí)(參數(shù)8122)，變頻器等待所有交流接觸器穩(wěn)定。如果此時(shí)閉合RO3(變頻器輸出繼電器3)時(shí)，電機(jī)的交流接觸器有抖動(dòng)，交流接觸器可能變?yōu)殄e(cuò)誤狀態(tài)。

(6)變頻器閉合RO3，KM4閉合。變頻器連接到2#水泵電機(jī)，此時(shí)調(diào)制仍被禁止。

(7)傳動(dòng)單元等待PFC啟動(dòng)延時(shí)(參數(shù)8122)。此時(shí)調(diào)制仍被禁止，因?yàn)閭鲃?dòng)單元需要等待所有交流接觸器穩(wěn)定。

(8)傳動(dòng)單元閉合RO2，KM1吸合，將M1直接切換到電網(wǎng)上(恒速運(yùn)行)，此時(shí)允許調(diào)制，變頻器從零速啟動(dòng)連接在RO3的2#水泵。此時(shí)1#水泵工頻運(yùn)行，2#水泵變頻運(yùn)行。變頻器根據(jù)反饋的實(shí)際壓力值調(diào)整輸出頻率，使實(shí)際壓力與設(shè)定壓力相近。

(9)如果實(shí)際壓力高于給定壓力且輸出頻率低于停止頻率1(參數(shù)8112)時(shí)，輔機(jī)(1#水泵)停止延時(shí)(參數(shù)8116)啟動(dòng)。當(dāng)輔機(jī)停止延時(shí)完成后，RO2斷開，這時(shí)KM1掉電，輔機(jī)(1#水泵)停止工頻運(yùn)行。2#水泵變成調(diào)節(jié)泵，1#水泵變成輔泵，若此時(shí)壓力不足，則重復(fù)上述過(guò)程[9-11]。

若SA旋鈕打到手動(dòng)系統(tǒng)可直接實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)泵的工頻啟停，同時(shí)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警、無(wú)水檢測(cè)自動(dòng)停車等功能。

2.4 主要參數(shù)設(shè)置

變頻器的參數(shù)設(shè)置是該系統(tǒng)性能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素，各相關(guān)參數(shù)需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，變頻器主要參數(shù)設(shè)置見表1所示。

圖3 1拖2控制的主回路電路圖

圖4 1拖2控制的二次回路電路圖

代碼英文名稱中文名稱設(shè)置說(shuō)明9902APPLICMACRO應(yīng)用宏15啟動(dòng)SPFC宏1001EXT1COMMANDS外部1命令DI1手動(dòng)啟動(dòng)1002EXT2COMMANDS外部2命令DI6自動(dòng)啟動(dòng)1102EXT1/EXT2SEL外部控制選擇DI2手自動(dòng)切換1103REF1SELECT給定值1選擇AI2手動(dòng)給定信號(hào)1106REF2SELECT給定值2選擇PIDOUT1自動(dòng)給定源1401RELAYOUTPUT1繼電器輸出14故障報(bào)警1402RELAYOUTPUT2繼電器輸出231PFC1403RELAYOUTPUT3繼電器輸出331PFC1601RUNENABLE運(yùn)行允許使能2007MINIMUMFREQ最小頻率25Hz頻率低限值2008MAXIMUMFREQ最大頻率52Hz頻率高限值2108STARTINHIBIT禁止啟動(dòng)02202ACCELERTIME1加速時(shí)間1202203DECELERTIME1減速時(shí)間1253415SIGNAL3PARAM信號(hào)3參數(shù)AI14001GAIN增益24002INTEGRATION積分時(shí)間64010SETPOINTSEL給定值選擇19內(nèi)部4011INTERNALSETPNT內(nèi)部給定值根據(jù)需要設(shè)定4012SETPOINTMIN給定最小值根據(jù)需要設(shè)定4022SLEEPSELECTION睡眠選擇信號(hào)74023PIDSLEEPLEVEL睡眠頻率404024PIDSLEEPDELAY睡眠延時(shí)根據(jù)需要設(shè)定4025WAKE-UPDEV喚醒偏差根據(jù)需要設(shè)定4026WAKE-UPDELAY喚醒延時(shí)根據(jù)需要設(shè)定8101REFERENCESTEP1給定增量11.00%8109STRATFRWQ1啟動(dòng)頻率1498112LOWFRWQ1停止頻率1208115AUXMOTSTARTD輔機(jī)啟動(dòng)延時(shí)根據(jù)需要設(shè)定8116AUXMOTSTOPD輔機(jī)停止延時(shí)108117NROFAUXMOT輔機(jī)數(shù)量18118AUTOCHNGINTERV自動(dòng)切換間隔3608120INTERLOCKS內(nèi)部鎖定DI38122PFCSTARTDELAYPFC啟動(dòng)延時(shí)根據(jù)需要設(shè)定8125ACCINAUXSTOP加速時(shí)間108126DECINAUXSTART減速時(shí)間38127MOTORS電機(jī)數(shù)量2

根據(jù)兩泵控制原理及配置，以及選煤廠實(shí)際情況，配置了部分外部輔助設(shè)備，且在出廠前已調(diào)試好邏輯，根據(jù)水壓的變化，變頻器做出相應(yīng)動(dòng)作，自動(dòng)切換繼電器，操作方便快捷。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于多個(gè)洗煤廠，圖5為韓城市侃達(dá)選煤廠24 h水壓波動(dòng)圖。從圖5中可看出，水壓基本穩(wěn)定在設(shè)定值0.35 MPa左右，產(chǎn)生的波動(dòng)一般都發(fā)生在早晚各個(gè)用水高峰上，表明該系統(tǒng)運(yùn)行效果良好。

圖5 侃達(dá)選煤廠24 h水壓波動(dòng)圖

3 結(jié) 語(yǔ)

變頻恒壓供水系統(tǒng)根據(jù)壓力信號(hào)自動(dòng)啟動(dòng)備用泵，無(wú)級(jí)調(diào)整壓力，實(shí)現(xiàn)了選煤廠全天恒壓供水的目的。與傳統(tǒng)供水系統(tǒng)相比，避免了管網(wǎng)破裂、開啟水籠頭時(shí)的共振現(xiàn)象以及泵的頻繁啟停等情況發(fā)生，變頻恒壓供水系統(tǒng)啟動(dòng)平滑，減少了電機(jī)水泵的啟動(dòng)沖擊，延長(zhǎng)了水泵的使用壽命，避免了傳統(tǒng)供水中的水錘現(xiàn)象，同時(shí)變頻恒壓供水系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、空間占用小、水壓穩(wěn)定、水質(zhì)安全。變頻器可以根據(jù)實(shí)際用水量，自動(dòng)控制水泵轉(zhuǎn)速，達(dá)到節(jié)能的效果，保證了恒壓供水的目的，為改善選煤廠的生活供水和生活質(zhì)量打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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Application of frequency converter-based constant-pressure water supply system in coal preparation plant

PAN Dong-ming1,2

(1.Tangshan Research Institute Co., Ltd., China Coal Technology and Engineering Group, Tangshan, Hebei 063012, China; 2. Hebei Province Coal Preparation Engineering & Technology Research Centre, Tangshan, Hebei 063012, China)

Hancheng Kanda Coal Preparation Plant is facing the trouble of a short supply of domestic water due to instability of water supply pressure. Therefore, a special ABB ACS 510 frequency converter-based constant-pressure water supply system is developed. The system consists of water pump, pressure transducer, frequency converter and valves. Practice shows that it is a energy-saving system working with basically constant water level of pump room and improve the living environment of the plant——a matter of far-reaching significance for the enhancement of the automatic level of the plant.

constant-pressure water supply system; frequency converter; coal preparation plant; PID control

1001-3571(2016)06-0076-05

TD948.6

A

2016-03-31

10.16447/j.cnki.cpt.2016.06.020

潘東明(1982—)，男，滿族，遼寧省本溪市人，助理研究員，碩士，從事選煤機(jī)械及選礦工藝的研究。

E-mail：pdm04@163.com Tel：0315-7759471

潘東明.基于變頻器的恒壓供水系統(tǒng)在選煤廠中的應(yīng)用[J]. 選煤技術(shù)，2016(6)：76-80.