一、前言： 隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源（水、電、油）消耗在企事業(yè)單位生產(chǎn)成本中所占的比重越來越高，如何有效地降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，開發(fā)企業(yè)的第二利潤(rùn)中心，愈來愈受到企事業(yè)的重視。 根據(jù)流體力學(xué)原理，水泵的流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，壓力與電機(jī)轉(zhuǎn)速的平方成正比，變頻恒壓供水設(shè)備由風(fēng)、泵類專用型交流變頻調(diào)速器、PLC可編程控制器、遠(yuǎn)傳壓力傳感器，PID調(diào)節(jié)控制器，調(diào)節(jié)閥門、泵組等構(gòu)成?！? 根據(jù)不同的需要，可采取恒壓控制、恒流量控制等多種閉環(huán)自動(dòng)控制方法。風(fēng)機(jī)水泵采用變頻調(diào)速技術(shù)后，節(jié)能效果比傳統(tǒng)調(diào)壓調(diào)流方式可節(jié)電40%～50%，節(jié)約用水約8%。 二、系統(tǒng)改造方案： 上海新先鋒制藥廠降溫水循環(huán)泵恒壓供水系統(tǒng)的改造，共有4臺(tái)90KW電機(jī)，分為兩組，兩組由不同供電線路供電，且任一時(shí)間段內(nèi)只有一路供電?，F(xiàn)根據(jù)其工作特點(diǎn)，無論冬夏，開啟兩臺(tái)水泵完全滿足生產(chǎn)需要的現(xiàn)狀，改造方案為將四臺(tái)水泵中的兩臺(tái)由變頻器作一開一備控制模式，另兩臺(tái)保留原電路，但啟停也由變頻控制系統(tǒng)操作，具有自動(dòng)/手動(dòng)操作模式。 改造后系統(tǒng)集變頻調(diào)速技術(shù)、PLC技術(shù)、PID控制技術(shù)，壓力傳感技術(shù)等為一體，依據(jù)供水壓力組成閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過安裝在供水管網(wǎng)上的高靈敏度壓力傳感器來檢測(cè)供水管網(wǎng)在用水量變化時(shí)的壓力變化，不斷向微電腦傳輸變化的壓力信號(hào)，經(jīng)微電腦運(yùn)算并與設(shè)定的壓力比較后，自動(dòng)調(diào)節(jié)供水量，保證供水管網(wǎng)壓力恒定，以滿足循環(huán)給水的需要。用戶根據(jù)實(shí)際工況需要，隨時(shí)調(diào)整管網(wǎng)設(shè)定壓力，設(shè)定值確認(rèn)后，系統(tǒng)將自動(dòng)跟蹤調(diào)整至設(shè)定的供水壓力值。當(dāng)用水量增加，變頻器輸出頻率增加，直至增加到額定頻率，此時(shí)若水壓力仍達(dá)不到設(shè)定壓力，在一定時(shí)間延時(shí)后，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)一臺(tái)工頻泵，以保證壓力動(dòng)態(tài)平衡；反之，當(dāng)用水量減少，變頻器輸出頻率減少，直至減少到最低頻率，此時(shí)若水壓力仍高于設(shè)定壓力，在一定時(shí)間延時(shí)后，系統(tǒng)自動(dòng)停止一臺(tái)工頻泵，從而使系統(tǒng)實(shí)行自動(dòng)控制。 將變頻技術(shù)應(yīng)用于降溫水循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)提升降溫水循環(huán)自動(dòng)化水平、降低能耗、減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊、延長(zhǎng)機(jī)械及管網(wǎng)的使用壽命，都具有重要的意義。 三、 系統(tǒng)原理： 降溫水循環(huán)系統(tǒng)由循環(huán)水池、循環(huán)泵、工藝管路、降溫設(shè)備及使用設(shè)備組成，降溫循環(huán)水由循環(huán)水池進(jìn)入循環(huán)泵，由泵體打入循環(huán)系統(tǒng)給工藝設(shè)備降溫，再回流到降溫循環(huán)水池，其中的壓力由循環(huán)泵出口閥門開度控制，外管道上有壓力變送器，將壓力信號(hào)傳送給DCS工控系統(tǒng)，在操作間內(nèi)的工控機(jī)上顯示運(yùn)行壓力，并提醒操作人員進(jìn)行相應(yīng)的控制。 由于設(shè)備的使用情況不穩(wěn)定，壓力值一直不穩(wěn)定，操作人員只能根據(jù)壓力情況及降溫循環(huán)水使用情況調(diào)節(jié)出口閥門，并開啟回流閥門，進(jìn)行壓力控制；不但控制精度很低，操作的難度也很大，由于實(shí)際使用流量不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)管道降溫水的壓力異常，引起管路故障及降溫水泄漏，使得工作的強(qiáng)度較高。鑒于以上情況，決定改造控制系統(tǒng)，以改進(jìn)以上的情況。 由于原來的壓力信號(hào)一直存在，只是在工控機(jī)上顯示，沒有參與控制，而閥門控制既不方便，精度低、浪費(fèi)大；參考現(xiàn)在流行的恒壓供水控制系統(tǒng)，將降溫水循環(huán)系統(tǒng)改為恒壓供水系統(tǒng)是個(gè)不錯(cuò)的選擇。改造只是在原來的泵電機(jī)組之外，再增加一套變頻控制系統(tǒng)及傳感器，將管道壓力串連至HDBP-90變頻恒壓控制柜上，由變頻器直接控制，即可解決問題。 四、節(jié)能效果計(jì)算： 1、恒壓供水控制水泵設(shè)計(jì)及控制方法： 恒壓供水系統(tǒng)主要組成是變頻器、壓力傳感器和循環(huán)水泵，而風(fēng)機(jī)水泵類機(jī)械性能曲線如圖1，其流量與轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速-力矩特性為二次方遞減力矩，所需要的軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。即： q∝n, h∝n2 ， p∝n3 q:流量， h:揚(yáng)程， p:軸功率， n：轉(zhuǎn)速 數(shù)學(xué)關(guān)系式為：p=0.163·q·h/ηp（kW） 其中：p：軸功率，q：流量，h：揚(yáng)程，ηp： 泵效率 [IMG=恒壓供水控制水泵設(shè)計(jì)及控制]/uploadpic/tech/2007/12/2007120414383096143K.jpg[/IMG] 傳統(tǒng)的方法是電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定不變，使用閥門的開啟度（增大或減小管阻）實(shí)現(xiàn)流量控制（俗稱憋泵），其揚(yáng)程-流量特性見圖2，例如需要額定流量的100%、80%、40%流量時(shí)，使用閥門調(diào)節(jié)的方法其工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)圖中A、B、C點(diǎn)。這樣造成供水管網(wǎng)壓力不穩(wěn)，工作效率低、啟動(dòng)電流大、工作噪聲大、電能耗量大等特點(diǎn)。 2、采用變頻調(diào)速控制方法： 采用變頻調(diào)速控制時(shí)，設(shè)定供水壓力，根據(jù)用水量的大小，變頻器改變輸出頻率，使電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度保證供水量，從而使供水系統(tǒng)工作壓力維持動(dòng)態(tài)平衡，見圖2，其工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)A、D、E。而對(duì)應(yīng)的閥門控制和速度控制對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系如下： Pm=q·h/（η/η0） 工作點(diǎn)的軸功率 PIN（V）=Pm/ηm 閥門控制時(shí)消耗的電功率 PIN（I）=Pm/（η1m·ηINV ） 速度控制時(shí)消耗的電功率 P0=0.163·Q0·H0/η0 額定工作點(diǎn)的軸功率 這里：ηINV：變頻器效率，η1m：變頻器拖動(dòng)對(duì)應(yīng)工作點(diǎn)電機(jī)效率，ηm：工頻拖動(dòng)對(duì)應(yīng)工作點(diǎn)電機(jī)效率 例如：電機(jī)功率P=15KW，效率η0=0.9，電壓U=380V,電流I=29.4A,轉(zhuǎn)速N=1440rpm,極數(shù)pole=4；Y132S2-2型水泵，流量Q=107m3/h=1.87m3/min,揚(yáng)程H=32m,泵效率ηpump=0.65，泵性能曲線如圖1，泵的揚(yáng)程-流量特性曲線如圖2，可計(jì)算得表1泵的不同工作點(diǎn)與軸功率及表2泵不同工作點(diǎn)消耗電能比較： [IMG=泵不同工作點(diǎn)與軸功率]/uploadpic/tech/2007/12/2007120414375981333G.jpg[/IMG] [IMG=泵不同工作點(diǎn)消耗電能比較]/uploadpic/tech/2007/12/2007120414401089464G.jpg[/IMG] 由表1和表2可知，水泵電機(jī)消耗的電功率與頻率的三次方成正比，在保證壓力恒定的情況下, 降低電機(jī)的工作頻率, 可有明顯的節(jié)能效果： （1）流量為額定流量的80%時(shí)，變頻控制比閥門控制節(jié)能為：13.8/14.3-10.0/14.3=26.6% （2）流量為額定流量的40%時(shí)，變頻控制比閥門控制節(jié)能為：11.1/14.3-4.00/14.3=49.6% 據(jù)統(tǒng)計(jì)一年中水泵電機(jī)負(fù)載率在50%以下的時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)間的50%以上，因而變頻控制系統(tǒng)節(jié)能效果明顯。 其具有的特點(diǎn)如下： 1、高效節(jié)能：可以實(shí)現(xiàn)節(jié)電30%以上（依據(jù)實(shí)際工況），能實(shí)現(xiàn)綠色用電，變頻恒壓供水能自動(dòng)維持恒定壓力，供水質(zhì)量好，與傳統(tǒng)供水比較，不會(huì)造成管網(wǎng)破裂及共振現(xiàn)象。 2、功能齊全：可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，配置靈活，運(yùn)行可靠，具有欠壓、過壓、過流、過熱等保護(hù)功能，并且可根據(jù)用戶需要，選擇各種附加功能。 3、壽命延長(zhǎng)：由于是軟啟動(dòng)，軟停止，無極變速，不但可消除水錘效應(yīng)，而且電機(jī)軸上的平均扭矩和磨損減小，減少了設(shè)備維護(hù)量和維修費(fèi)用，且設(shè)備的使用壽命大大延長(zhǎng)。 4、運(yùn)行合理：由于變頻調(diào)速控制系統(tǒng)是通過壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)無人值守，節(jié)約了人力物力。 五、具體系統(tǒng)控制說明： 原降溫水管道上取得的壓力信號(hào)傳遞到DCS工控系統(tǒng)以后，現(xiàn)場(chǎng)旁邊增加一套HDBP-90變頻恒壓控制系統(tǒng)，系統(tǒng)輸入由模擬壓力信號(hào)及變頻器故障輸入信號(hào)組成，模擬信號(hào)再輸入到壓力調(diào)節(jié)器參與計(jì)算及控制，故障信號(hào)輸入到PLC上產(chǎn)生報(bào)警，提醒操作人員及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的操作。模擬量輸出信號(hào)采用模擬電流4-20mA信號(hào)，可以有效的防止信號(hào)的線路干擾；模擬信號(hào)傳輸?shù)阶冾l器模擬量輸入端子，控制變頻器輸出頻率。由于泵的啟動(dòng)及停止操作最好在室內(nèi)操作室，因此啟停控制全部由HDBP-90變頻恒壓控制系統(tǒng)控制按鈕來實(shí)現(xiàn)，控制變頻器的啟動(dòng)和停止。變頻器選用日本原裝進(jìn)口明電舍VT230SE-090HA變頻器，可編程器采用三菱PLC，其它元器全部采用施耐德進(jìn)口器，保證了系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的正常運(yùn)行。