变频调速装置在莱钢供水系统中的应用

0 引言

水泵是供水系统常用的设备，水泵通常是以流量为控制对象的。传统的流量控制方法是阀门/挡板控制法，即通过关小和开大阀门/挡板的开度来调节水流量。阀门控制法的实质是通过改变管网阻力大小来改变流量。因此，这种控制方式当所需流量减少时，压力反而会增加，故轴功率的降低有限，此时，过剩的水泵功率将导致压力增加而白白浪费掉了。利用变频调速装置，可在阀门/挡板全开的情况下，通过改变水泵的转速来调节流量，其实质是通过减少流体动力来节电。

随着变频调速技术的成熟、普及及应用，采用变频调速实现恒压供水其节能效果是显著的。变频恒压供水系统是采用可编程控制器、PID仪表和变频器而研制成的新一代供水系统，通过压力变送器和PLC构成闭环控制系统。按恒压、节能节水的优化运行原则，随着用水量的变化，PID仪表不断地进行压力采样，PLC 进行逻辑运算自动控制机组中泵的转速和切换，从而实现全自动恒压变频供水。

1 变频恒压供水原理

变频恒压供水控制系统通过检测管网压力变化，或者按设定要求随时间变化而自动调整压力给定值，通过压力变送器，将管网压力反馈给PID仪表，求出压力偏差，然后进行逻辑判断和人工神经元控制算法数字调节运算。目的是控制变频器的输出频率和输出电压，从而调节水泵的转速，控制变频泵和多台工频泵的启停而达到恒压供水的目的。变频器的频率超限信号(一般可作为管网压力极限信号)可实时通知PLC 进行变频泵逻辑切换。为防止水锤现象的产生，泵的启停将联动其出口阀门。

典型的自动恒压供水系统的结构框图如图1所示。系统具有控制水泵出口总管压力恒定、变流量供水功能，系统通过安装在出水总管上的压力传感器、流量传感器，实时将压力、流量非电量信号转换为电信号，输入至可编程控制器(PLC)的输入模块，信号经CPU运算处理后与设定的信号进行比较运算，得出最佳的运行工况参数，由系统的输出模块输出逻辑控制指令和变频器的频率设定值，控制泵站投运水泵的台数及变频泵的运行工况，并实现对每台水泵根据CPU 指令实施软启动、软切换及变频运行。

系统可根据用户用水量的变化，自动确定泵组的水泵的循环运行，以提高系统的稳定性及供水的质量。

变频恒压供水系统各单元的功能如下：

1)变频器的作用是为电机提供可变频率的电源调节水泵转速以调节流量，并保持恒压供水，同时实现电机的无级调速;

2)安装于供水管道上的压力变送器(传感器)的任务是检测管网水压，将管网压力转换成1~5 V的电信号;

3)压力设定单元的任务是为系统提供满足用户需要的水压期望值;

4)可编程控制器(PLC)的任务是综合压力设定信号和压力反馈信号后，经其内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号或逻辑切换信号。

此外，上述系统还配备了外围辅助电路，以保障自动控制系统出现故障时可通过人工调节方式维持系统运行，保证连续生产。

2 变频调速装置在莱钢供水系统中的应用

莱钢在供水系统中应用变频调速装置的设计原则是保证恒压供水，满足用户需求，并尽量节能。

当用水量不是很大时，一台泵在变频器的控制下稳定运行;当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压力和稳定时，PLC 自动将原工作在变频状态下的水泵投入到工频运行，同时将一台备用的水泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量保证压力稳定。

当用水量减少到变频器已工作在频率设定的下限，且管网压力仍超过上限值时，PLC 首先将工频运行的泵停掉，以减少供水量。如果管网压力仍超过上限值则PLC再停掉一台工频运行的电机，直到最后一台泵用变频器恒压供水。另外，控制系统设计2台泵为一组，每台泵的电机累计运行时间可显示，24 h轮换一次，既保证供水系统有备用泵，又保证系统的泵有相同的运行时间，确保了泵的可靠使用寿命。

3 工程实例

莱钢自来水厂拥有一座10 000 m3的清水池，共有4台水泵，其电机容量均为180 kW，负责整个莱钢生活区的生活用水的供应。根据多年来的运行经验，我们设计为1#、2#水泵采用一台变频器调速控制，3#、4#水泵采用软启动。

正常情况下，利用工频—变频母线，变频起、停1#、2#主泵，1#、2# 水泵启动后慢慢升速，根据采集到的总出水口压力信号，由PLC软件设定实现调节功能，同时输出一个采样压力信号，该采样信号与预设定信号比较，采样信号小于预设定压力信号，PLC 将启动变频器使水泵升速运行，同时，随时将不断变化的采样信号与设定压力信号比较，控制变频器在某一范围内运行。当外部水量较大，而变频水泵全速运行仍不能满足要求时，则全速运转1#、2# 主泵，由PLC 发出开机命令，通过软启动工频运行3#、4#水泵，然后PLC根据3#、4#水泵启动后外部用水压力的变化情况自动调节两台变频水泵的输出，达到管网压力的设定值，使供水压力保持恒定。

钥庄加压泵房低压系统共控制3台水泵，3台水泵的电机配置方式为2×132 kW+1×55 kW，采用电抗器降压启动，控制设备老化、技术落后。根据多年来的运行经验，一般情况下，2台1×132 kW+1×55kW水泵电机的运行方式容量偏小，而2台2×132 kW的水泵电机的运行方式容量偏大。

根据该泵房实际的工艺状况及低压系统目前存在的问题，我们将变频器和软启动器结合在钥庄泵房进行了应用，即用1台变频器控制1台132 kW的水泵电机，另1台132 kW和55 kW的水泵电机采用软启动器控制。变频器采用PID调节，实现了恒压闭环控制系统。同时要求变频器具有手动/自动切换功能，既能够手动调节电动机的转速并结合高压系统中央信号屏的改造，将压力指示、频率指示及电源工作指示信号均引至中央信号屏，并能在信号屏上手动调节电动机的转速。技术改造后调节阀门全开既实现了恒压供水，又节约了电能。

4 系统经济效益分析及系统优点

4.1 经济效益分析

变频泵的功率P1、供水量q1与泵转速n1三者的关系如下

4.2 系统优点

1)由于采用了变频调速，水泵的转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中节约的电能可观，其经济效益是十分明显的。由于其节电效果明显，所以系统具有投资回收快，且长期受益，其产生的社会效益也是非常巨大的。

2)由于采用了变频调速，水泵电动机实现了软启动，避免了电动机启动时的电流冲击对电网电压造成波动的影响，降低了对供电电网容量的要求，同时也避免了电动机突然加速对泵系统的冲击。

3)由于采用了变频调速，当管网流量小于额定流量时，泵转速将自动降低，从而减少了轴承的磨损和发热，延长了泵和电动机的机械使用寿命。

4)因实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了操作员的劳动强度，也节省了人力。

5 结语

采用PLC、PID仪表和变频器的变频恒压供水系统，能根据管网压力变化，自动控制多台水泵工频、变频切换以及变频泵的转速，从而实现恒压供水。工程实践表明，这一系统具有降耗节电、延长水泵电机使用寿命、降低工人劳动强度等优点，值得推广。