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试论恒压供水变频控制系统的组成与实现方法
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用水部门之所以使用并重视恒压供水变频控制系统,缘于它的诸多优点。恒压变频控制供水系统先进的工作原理及实施方法,克服了传统供水系统浪费较大、稳定精度较差的缺点,最重要的是它与时俱进,具备喜人的节能效果,与人们所追求的“节能环保”理念不谋而合,并且能够赢得较大的经济效益,因此备受青睐、推崇。
恒压供水;变频控制;工作原理;系统组成;实现方法;节能效果
用水部门之所以使用并重视恒压供水变频控制系统,缘于它的诸多优点。恒压变频控制供水系统先进的工作原理及实施方法,克服了传统供水系统浪费较大、稳定精度较差的缺点,最重要的是它与时俱进,具备喜人的节能效果,与人们所追求的“节能环保”理念不谋而合,并且能够赢得较大的经济效益,因此备受青睐、推崇。
传统的供水控制系统中,水泵是连续恒速运行的。流量的控制,是通过调节给水管道中调节阀和回流支路实现的。这两种调节方法都存在明显的缺陷,采用调节阀调节时,由于阀门开度的减小,导致水泵出口压力上升,阀门两侧的压差将增大,当增大到较大时,不但会造成水泵能量的浪费,而且使得水泵的振动和磨损加大,进而寿命缩短;采用回流支路调节时,大量水的回流也同样造成能量的消耗,如果用变频调速控制,将克服上述缺陷,回馈给企业的是良好的经济效益与社会效益。基于此,恒压供水变频调速控制系统受到各用水部门的普遍重视。
对于一个供水系统,在调速时应考虑两个问题:一是对系统装置和水泵进行实际测试和计算,估算出系统效率和节能潜力;二是根据实际情况确定调速方法。
2.1 水泵的基本参数与特性。
水泵被广泛应用于工业生产供水系统中,它的输出特性决定于水泵类型,并与供水管网系统的阻力特性有关。
离心泵的H—Q曲线如下图(图1)所示:
其特性曲线公式为:
其中,P为泵使用工况点轴功率(KW),Q为使用工况点的水压或流量(m3/S),H为使用工况点的扬程(m),γ为输出介质单位体积重量(kg/m3),η为使用工况点的泵效率(%),水泵在运行时,只有在工况A点时,效率才为最高,偏离这个工况点(如B、C),都将使效率降低,水泵在高效区运行,其耗能也将最省。
根据供水泵系统的实际流量:流量Q2和杨程H2及与之相应的水泵使用效率,可计算出泵所需的比较经济合理的轴功率P0。
整个供水系统所具有的节能潜力为:
其中P为整个系统水泵所消耗的总轴功率(KW),t为水泵的运行时间(小时),供水管网的H-Q曲如图2所示,管网装置特性(H-Q)可从阀门全开时测得,各种数据由下式求得:
其中Hj为泵进出口水位的高度差(m),其大小与流量无关,K为管路力系数,Q2为流过管网的流量(m3/s)。
图2中曲线(1)为泵在额定工况和给定速度下运行时的全部扬程、流量点和泵效率点的轨迹,曲线(2)为管网系统阀门全开时阻力特性曲线,即泵要克服水头摩擦,压力随流量的平方而变化。曲线(3)是静压高度,它相当于从叶轮中心高度减去在系统中的自然升高。
管网特性曲线与泵特性曲线的交点为泵的正常使用工况点,从管网特性上求得管网实际所需的性能和泵与管网性能的匹配情况,以此作为水泵节能改造的依据。
2.2 水泵调速运行时的节能原理。
图3中,水泵运行工况点D是泵的特性曲线NN与管路阻曲线R1的交点。
当用阀门控制时,由于要减小流量,关小阀门,使阀门的摩擦阻力变大,阻力曲线从R1移到R2,扬程则从H0上升到H1,流量从QN减小到Q1运行工况点,从D点移到A点。
当用调速控制时,阻力曲线R1不变,泵的特性取决于转速,如果将速度从NN降到N1,结果运行工况点从D点移到C点,扬程从H0降到H3,流量从减小到QN减小到Q1。
根据公式(1)求出运行时在A点泵的轴功率为:
在C点泵的轴功率为:
将上两式相减,则有:
△P即是用控制时节省的功率Q、H、P之间的关系可是写为:
流量Q与转速N的一次方成正比,扬程H与转速N的平方成正比,功率P与转速N的立方成正比,那么转速N与频率f是否成正比呢?请看下列公式:
由上列公式不难看出,转速N与频率f成正比,因此可得出,轴功率P与频率f的立方成正比。
下图(图4)是一种变频控制供水系统的结构图:
系统前向通路由PID和VVVF及M组成,反馈通路是由压力传感器组成。VVVF是日本富士公司生少的FRENIC5000系列,主电路是由6个IGBT构成,是典型的“交—直—交”电压型变频方式,其调节输出电压的脉冲宽度及其频率由SPWM的方式来完成。
VVVF的内部有非常好的保护功能,在控制电路中,可设计对电压、电流、流量、压力、频率等参数的监控,压力传感器的取样点可尽量靠近泵的出水口,PID参数设定时先将D设为0,再调PI两参数,以达到最佳匹配,设定值的大小决定了供水流量的大小。
通过对恒压供水变频控制系统多年的运行观察,发现此系统优点颇多:动态响应好,调速精度高,调速范围宽,输出特性稳定,故障率低。现以数据来说明其节能率,下面表格中的数据是年均值。
从上述表格数据可看出,频率有所下降,转速也下降,其节能如下所示:
以上数据显示:恒压供水变频控制系统的节能效果非常明显!