云寶鋼/昌吉供水有限責(zé)任公司

試論恒壓供水變頻控制系統(tǒng)的組成與實(shí)現(xiàn)方法

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用水部門之所以使用并重視恒壓供水變頻控制系統(tǒng)，緣于它的諸多優(yōu)點(diǎn)。恒壓變頻控制供水系統(tǒng)先進(jìn)的工作原理及實(shí)施方法,克服了傳統(tǒng)供水系統(tǒng)浪費(fèi)較大、穩(wěn)定精度較差的缺點(diǎn)，最重要的是它與時俱進(jìn)，具備喜人的節(jié)能效果，與人們所追求的“節(jié)能環(huán)?！崩砟畈恢\而合，并且能夠贏得較大的經(jīng)濟(jì)效益，因此備受青睞、推崇。

恒壓供水；變頻控制；工作原理；系統(tǒng)組成；實(shí)現(xiàn)方法；節(jié)能效果

用水部門之所以使用并重視恒壓供水變頻控制系統(tǒng)，緣于它的諸多優(yōu)點(diǎn)。恒壓變頻控制供水系統(tǒng)先進(jìn)的工作原理及實(shí)施方法,克服了傳統(tǒng)供水系統(tǒng)浪費(fèi)較大、穩(wěn)定精度較差的缺點(diǎn)，最重要的是它與時俱進(jìn)，具備喜人的節(jié)能效果，與人們所追求的“節(jié)能環(huán)?！崩砟畈恢\而合，并且能夠贏得較大的經(jīng)濟(jì)效益，因此備受青睞、推崇。

1．使用恒壓供水變頻控制系統(tǒng)是形勢所需

傳統(tǒng)的供水控制系統(tǒng)中，水泵是連續(xù)恒速運(yùn)行的。流量的控制，是通過調(diào)節(jié)給水管道中調(diào)節(jié)閥和回流支路實(shí)現(xiàn)的。這兩種調(diào)節(jié)方法都存在明顯的缺陷，采用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)時，由于閥門開度的減小，導(dǎo)致水泵出口壓力上升，閥門兩側(cè)的壓差將增大，當(dāng)增大到較大時，不但會造成水泵能量的浪費(fèi)，而且使得水泵的振動和磨損加大，進(jìn)而壽命縮短；采用回流支路調(diào)節(jié)時，大量水的回流也同樣造成能量的消耗，如果用變頻調(diào)速控制，將克服上述缺陷，回饋給企業(yè)的是良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益?；诖?，恒壓供水變頻調(diào)速控制系統(tǒng)受到各用水部門的普遍重視。

2．恒壓供水變頻控制系統(tǒng)的工作原理

對于一個供水系統(tǒng)，在調(diào)速時應(yīng)考慮兩個問題：一是對系統(tǒng)裝置和水泵進(jìn)行實(shí)際測試和計(jì)算，估算出系統(tǒng)效率和節(jié)能潛力；二是根據(jù)實(shí)際情況確定調(diào)速方法。

2.1 水泵的基本參數(shù)與特性。

水泵被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)供水系統(tǒng)中，它的輸出特性決定于水泵類型，并與供水管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力特性有關(guān)。

離心泵的H—Q曲線如下圖（圖1）所示：

其特性曲線公式為：

其中，P為泵使用工況點(diǎn)軸功率（KW），Q為使用工況點(diǎn)的水壓或流量（m3/S)，H為使用工況點(diǎn)的揚(yáng)程（m)，γ為輸出介質(zhì)單位體積重量（kg/m3)，η為使用工況點(diǎn)的泵效率（％），水泵在運(yùn)行時，只有在工況A點(diǎn)時，效率才為最高，偏離這個工況點(diǎn)（如B、C），都將使效率降低，水泵在高效區(qū)運(yùn)行，其耗能也將最省。

根據(jù)供水泵系統(tǒng)的實(shí)際流量：流量Q2和楊程H2及與之相應(yīng)的水泵使用效率,可計(jì)算出泵所需的比較經(jīng)濟(jì)合理的軸功率P0。

整個供水系統(tǒng)所具有的節(jié)能潛力為：

其中P為整個系統(tǒng)水泵所消耗的總軸功率(KW)，t為水泵的運(yùn)行時間（小時），供水管網(wǎng)的H-Q曲如圖2所示，管網(wǎng)裝置特性（H-Q）可從閥門全開時測得，各種數(shù)據(jù)由下式求得：

其中Hj為泵進(jìn)出口水位的高度差（m)，其大小與流量無關(guān)，K為管路力系數(shù)，Q2為流過管網(wǎng)的流量(m3/s)。

圖2中曲線（1）為泵在額定工況和給定速度下運(yùn)行時的全部揚(yáng)程、流量點(diǎn)和泵效率點(diǎn)的軌跡，曲線（2）為管網(wǎng)系統(tǒng)閥門全開時阻力特性曲線，即泵要克服水頭摩擦，壓力隨流量的平方而變化。曲線（3）是靜壓高度，它相當(dāng)于從葉輪中心高度減去在系統(tǒng)中的自然升高。

管網(wǎng)特性曲線與泵特性曲線的交點(diǎn)為泵的正常使用工況點(diǎn)，從管網(wǎng)特性上求得管網(wǎng)實(shí)際所需的性能和泵與管網(wǎng)性能的匹配情況，以此作為水泵節(jié)能改造的依據(jù)。

2.2 水泵調(diào)速運(yùn)行時的節(jié)能原理。

圖3中，水泵運(yùn)行工況點(diǎn)D是泵的特性曲線NN與管路阻曲線R1的交點(diǎn)。

當(dāng)用閥門控制時，由于要減小流量，關(guān)小閥門，使閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從R1移到R2，揚(yáng)程則從H0上升到H1，流量從QN減小到Q1運(yùn)行工況點(diǎn)，從D點(diǎn)移到A點(diǎn)。

當(dāng)用調(diào)速控制時，阻力曲線R1不變，泵的特性取決于轉(zhuǎn)速，如果將速度從NN降到N1，結(jié)果運(yùn)行工況點(diǎn)從D點(diǎn)移到C點(diǎn)，揚(yáng)程從H0降到H3，流量從減小到QN減小到Q1。

根據(jù)公式（1）求出運(yùn)行時在A點(diǎn)泵的軸功率為：

在C點(diǎn)泵的軸功率為:

將上兩式相減，則有:

△P即是用控制時節(jié)省的功率Q、H、P之間的關(guān)系可是寫為：

流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比,揚(yáng)程H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比,功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比,那么轉(zhuǎn)速N與頻率f是否成正比呢？請看下列公式：

由上列公式不難看出，轉(zhuǎn)速N與頻率f成正比，因此可得出，軸功率P與頻率f的立方成正比。

3．恒壓供水變頻控制系統(tǒng)的組成與實(shí)現(xiàn)方法

下圖（圖4）是一種變頻控制供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖：

系統(tǒng)前向通路由PID和VVVF及M組成，反饋通路是由壓力傳感器組成。VVVF是日本富士公司生少的FRENIC5000系列，主電路是由6個IGBT構(gòu)成，是典型的“交—直—交”電壓型變頻方式，其調(diào)節(jié)輸出電壓的脈沖寬度及其頻率由SPWM的方式來完成。

VVVF的內(nèi)部有非常好的保護(hù)功能，在控制電路中，可設(shè)計(jì)對電壓、電流、流量、壓力、頻率等參數(shù)的監(jiān)控，壓力傳感器的取樣點(diǎn)可盡量靠近泵的出水口，PID參數(shù)設(shè)定時先將D設(shè)為0，再調(diào)PI兩參數(shù)，以達(dá)到最佳匹配，設(shè)定值的大小決定了供水流量的大小。

4．恒壓供水變頻控制系統(tǒng)運(yùn)行使用效果：節(jié)能效果好，故障率低，優(yōu)點(diǎn)頗多

通過對恒壓供水變頻控制系統(tǒng)多年的運(yùn)行觀察，發(fā)現(xiàn)此系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)頗多：動態(tài)響應(yīng)好，調(diào)速精度高，調(diào)速范圍寬，輸出特性穩(wěn)定，故障率低?，F(xiàn)以數(shù)據(jù)來說明其節(jié)能率，下面表格中的數(shù)據(jù)是年均值。

從上述表格數(shù)據(jù)可看出，頻率有所下降，轉(zhuǎn)速也下降，其節(jié)能如下所示：

以上數(shù)據(jù)顯示：恒壓供水變頻控制系統(tǒng)的節(jié)能效果非常明顯！