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〖技术资料〗大连变频器、软启动在大中型供水设备中的应用-大连水处理设备-大连超纯水设备-大连直饮水设备-大连纯水机-大连软化水设备

2009-10-07 09:59:30

大连变频器、软启动在大中型供水设备中的应用-大连水处理设备-大连超纯水设备-大连直饮水设备-大连纯水机-大连软化水设备

变频器、软启动在大中型供水设备中的应用

  摘要:由变频器 、 软启动及可编程控制器为主组成的高性能控制系统具有运行稳定 、 高效节能 、 自动化程度高易于操作等优点。由于采用了软启动,设备启、停过程平稳,避免了“水垂”效应,此控制系统只需增加较少的投资,就能较大幅度的提高设备性能,此项技术在大中型水泵站中很有推广应用价值。  

  通常供水设备的控制系统是由变频器、控制器、低压电器及压力传感器组成,可完成对供水压力闭环控制,当供水管网流量变化时,通过调整变频泵的转速和改变投入运行的水泵台数,可达到稳定供水管网出口压力的目的。

  图 1 所示是一个典型的恒压变频供水系统框图,此控制系统的控制对象是供水管网出口压力,由压力传感器采集供水管网出口压力信号,将此压力信号与设

  图 1 自动恒压供水系统原理图

  定压力信号进行比较,其差值进入 CPU 进行 PID 运算,运算结果控制变频器的输出频率及输出电压,使水泵转速能随着供水管网压力的波动而不断的变化 , 从而使管网出口压力稳定。如果管网流量变化大 , 当只调整变频泵的转速不能满足管网出口压力稳定要求时 , 则由控制器发出指令,通过改变投入运行的水泵台数来满足稳定管网出口压力要求。

  在上述过程中 , 当变频泵达到最高设定转速时,说明管网用水量大 , 只靠调整变频泵的转速已不能使管网出口压力稳定,在经过一定延时后,如果此泵仍然在最高设定转速运行,控制系统就要启动一台水泵,在水泵容量较大的供水系统中,往往采用一项叫作“循环软启动”的技术,即将变频器带动的正在全速运转的电机交给电网,变频器再带动下一台电机变频启动,目的是减少启动过程中的机械和电气冲击。这项被称为“循环软启动”的技术存在着一个致命弱点,因为在此过程中刚脱离变频器的水泵在惯性作用下高速旋转,电机转子中还有较大的电流,由此电流形成的磁场在电机定子中感应出较高的电压,此电压与电网电压不同频率、不同相位,因而此时不能立即将此电机合到电网上,一般方法是根据电机容量大小,确定一个延时,要等转子电流衰减到一定值以后,才能将此电机合到电网上,然后变频器带动下一台电机运行。如在上述,从变频器脱开的电机要经过一定延时后才能并入电网,对于中型电机此延时大约是 1-2 秒钟,在此期间,水泵失去了动力,并且水的位能阻止水泵继续旋转,水泵转速下降很快,当此水泵电机并入电网时,电机转速已降的很低,当将此电机并入电网时将产生较大的电气和机械冲击。如果电机从变频到工频切换过程处理不当,会给电网及供水管网造成重大事故,所以许多专家在大中型供水设备中不主张采用这项“循环软启动”技术。变频与工频平稳切换,已成为大中型供水设备中迫切需要解决的问题。

  为解决以上问题,现采用另一项电力电子产品“软启动”器,它基本原理是改变晶闸管的导通角改变输出电压,使电机在启动和停机过程中,端电压可以按照预先设定的方式逐渐变化,从而使启动和停机过程平稳。如果是启动一台电机,软启动将逐渐增大晶闸管的导通角,使电动机端电压逐渐升高,水泵平稳升速完成启动过程。如果是关闭一台电机,软启动内的晶闸管的导通角将由大逐渐减小,逐渐降低输出电压,使正在运转的电机平稳停机。

  

  高性能的软启动及控制系统允许用一台软启动顺序带动多台电机完成软启、软停操作(图 2 )。比如启动 1# 电机 , 软启动晶闸管的起始导通角为零 , 将 KM11 闭合,然后软启动晶闸管的导通角由小变大,电机端电压逐渐升高到电网电压,

  图 2 一台软启动实现多台电机软启、软停控制主电路图

  电机可较平稳升速完成启动过程。此时电机的端电压与电网电压同频率,同相位 , 软启动器的晶闸管完全导通 , 其输出电压接近电网电压 , 这样 , 可将 KM21 闭合,使软启器旁路 , 然后 KM11 断开,软启动退出运行。此过程中电机端子上始终保持着较稳定的电压,所以整个启动过程平稳,无冲击。软启动退出运行以后准备接受下一次启动或停机操作指令。如果下一次操作指令是再启动一台电机,软启动将关闭软启动器上晶闸管,然后使相应的接触器闭合,再重复上述过程。如果下一次操作是关闭一台电机,比如 1# 电机停机,软启动先使晶闸管全导通,输出电压接近电网电压,然后 KM11 闭合将软启动并入正在运行的 1# 电机上,再断开 1# 电机直接和电网相联接的接触器 KM21 ,这时就由软启动单独带动 1# 电机运行,软启动逐步降低输出电压,电机速度逐渐下降,直到停机,完成软停操作后, KM11 断开。

  在上述过程中,控制系统适时的将软启动接入或退出运行电路。使用一台软启动顺序带动多台电机完成软启、软停操作的软启动器应具有“级联”功能,“级联”功能的主要作用是,在每一次操作前,软启动都要进行状态准备,在完成操作之后发出信号使软启动及时退出运行。比如启动电机,软启动晶闸管必须是关闭状态,输出电压为零,然后进入启动操作,如果是执行停机操作,软启动晶闸管必须是导通状态,逐渐降低输出电压,完成停机操作,每一次操作之后软启动都要退出运行线路。

  软启动本身保护功能齐全,但是当一台软启动带多台电机时,软启动完成启停操作后要退出运行,所以电机保护要另外设置,软启动只在启停过程中起保护。

  一个由变频器、软启动器、可编程序控制器及低压电器组成的供水控制具有良好的运行性能如图 3 ,

  图 3 变频器、软启动组成的自动恒压供水系统原理图

  它由变频器带动一台泵变速运行,由一台软启动器完成其余各泵开、停泵操作,变频泵可定时轮换使各泵运行时间均衡。此控制系统除能根据管网出口压力调整变频泵转速外,还能适时的将软启动接入或退出运行电路,完成开停泵操作。此系统克服了变频器控制系统中,变频泵由变频向工频切换过程中所产生的电气和机械冲击,此控制系统具有软启软停功能,可以避免开停机时水泵突然变化而产生的“水垂”效应,保证了设备和管网的安全,此性能对大中型供水泵站尤为重要。

  综上所述,在大中型泵站采用由变频器,软启动及可编程控制器为主组成的控制系统,集现代电力电子技术,微电子技术及控制技术为一体,组成了适应大中型供水泵站需求的高性能控制系统。此系统具有运行稳定,高效节能,自动化程度高易于操作等优点。由于采用了软启动,设备启停过程平稳,避免了“水垂”效应。与普通变频控制系统相比,此控制系统增加了软启动,软启动成本相对较低,此控制系统只增加了较少的投资,就能较大幅度的提高设备性能,此项技术在大中型水泵站中很有推广应用价值。

  四种运行方式比较

  根据目前城镇二次加压泵站常用的配置及工艺运行方式,分四种运行方式进行能耗对比分析:

  1.1水泵全速运行方式

  此方式是将市政供水管网来水放入蓄水池,再用加压水泵将水直接供给用户,为分析方便,假定泵站有两台相同功率的水泵组成,一用一备。

  图一是水泵全速运行时SMG150-465蜗壳式双吸离心泵性能曲线,流量扬程曲线(Q-H)1,流量功率曲线(Q-N)1,流量效率曲线(Q-η)1。此水泵额定流量Qn为440m3/h,额定扬程Hn 为60m,额定功率Nn为84kw,这时水泵最高效率ηn为83%。

  供水管网系统特性为:

  HZ=HJ +SQ2 ---------------------(1)

  HJ:为管网最低扬程

  S: 特定管路的阻力系数

  HZ:所需的水泵总扬程

  如管网阻力系数为0.74×10-4,管网最低扬程为30m,在图一中作出管网特性曲线f1。水泵(Q- H )1曲线与管网特性曲线f1的交点A1就是在这种工况下全速运行时水泵的工作点。

  图一 全速运行、恒压运行、变压运行方式水泵特性曲线

  当水泵流量低于额定流量时,由图(Q-H)1中可见,水泵扬程升高、功耗下降、效率下降,当流量为零时,水泵功率为35kw,这时水泵效率为零。

  当用水量高于额定流量时,由图(Q-H)1中可见,水泵扬程降低,水泵轴功率上升,效率下降,如果流量超出太多,水泵电机将过载发热,使系统无法正常运行,如流量为550 m3/h时,轴功率为105 kw,超出额定轴功率25%。

  1.2恒压供水运行方式

  当水泵恒压供水运行时,水泵的转速随着流量的变化不断变化,出口压力保持恒定。如图二所示,当水泵全速运行时,水泵流量扬程曲线(Q-H)21与管网特性曲线交于A21点,A21坐标流量为Q21,扬程Hb,用水量由Q21降低到Q22时,水泵转速降低。

  图二 变频稳压原理图

  水泵(Q-H)22曲线和管网特性曲线相交在A22点,A22坐标流量为Q22,扬程Hb。当流量Q变化时,水泵工作点在恒压值Hb线上作水平移动,满足出口压力恒定的要求。恒压供水节能基本原理如下:

  在工况相似情况下,水泵调速运行比例律为:

  Q1/Q2=n1/n2---------------------(2)

  H1/H2=(n1/n2)2--------------(3)

  N1/N2=(n1/n2)3--------------(4)

  Q1------------水泵转速n1时流量

  Q2------------水泵转速n2时流量

  H1------------水泵转速n1时扬程

  H2------------水泵转速n2时扬程

  N1------------水泵转速n1时轴功率

  N2------------水泵转速n2时轴功率

  下面用图解法求解恒压线上各点的转速、轴功率及效率,应用比例律的前提是工况相似,如图(3)中求解A32点的轴功率,作出通过A32点的工况相似抛物线:

  由(2)平方和(3)消去转速后可得:

  H1/H2 =(Q1/Q2)2-------------(5)

  即:

  H1/Q12 =H2/Q22=К

  H= КQ12---------------------------(6)

  将A32 点的坐标值Q32、H32代入(6)式,可求出К值,将К值代入(6)式就可作出经过A32点的工况相似抛物线(图3),此抛物线与全速运行时的(Q-H)31曲线交于A31点,A31点就是点A31的相似工况点。通过相似工况点A31就可以求出A32点的运行参数:

  图三 相似工况法求变速运行参数

  由(2)的立方及(4)式消去转速后可得:

  N1/N2=(Q1/Q2)3 -----------------( 7)

  找出A31,A32的坐标值Q32、Q31及N31代入(7)式可求得A32点的轴功率N32值。逐点作出水泵在Hb恒压运行的工况相似抛物线轴功率值可作出其流量功率曲线,在图一中作出了恒定压力为Hb时的流量功率曲线(Q-N)2。

  在Hb 恒压运行时水泵在不同流量的效率曲线(Q-η)2也可由上述方法得出,此曲线高效率区较全速运行高效区明显的展宽,随着流量的降低,水泵的高效区略微向左移动。通常泵站选用的水泵扬程都有一定余量,全速运行时工作在最高效率点的右侧,随着流量的下降,水泵工作点左移,最高效率点也左移,可使水泵在较宽的流量变化区间工作在较高效率范围内。以上分析在调速范围超过一定值时,其响应点的效率与实测效率有一定的差异,但水泵变速运行确实可有效展宽水泵高效区工作范围。

  图一中作出了在管网出口扬程Hb=50m时的水泵流量轴功率曲线(Q-N)2及流量效率曲线(Q-η)2。从图中可见,在上述条件下,当流量降低时,水泵效率平均提高10%左右,水泵轴功率平均降低20kw左右。

  吨水电耗是评价泵站运行的重要指标,吨水电耗可从上述

  Pe=Ne/Qe--------------------(8)

  Pe e点的吨水电耗(kw.h)/ m3

  Ne e点的水泵轴功率(kw)

  Qe e点的水泵流量(m3/h)

  功率流量曲线获取,比较流量200m3/h时全速运行及恒压运行方式的吨水电耗。根据两种运行方式的流量扬程曲线及流量轴功率曲线,找出相对应数值代入(8)式,得出:

  全速运行吨水电耗:0.27m3/h

  恒压运行吨水电耗: 0.1 m3/h

  由上述分析可见:恒压供水节能的主要原因是避免了多余的扬程,并且在流量降低时提高了水泵的效率。因为变频泵的存在,能够实现恒压运行,使得并联运行的工频泵也避免了多余的扬程所以也提高了运行效率。恒压供水节能效果与流量有关,如果是在额定转速运行时,恒压供水不节能。流量变化大,经常在较小流量情况下运行节能率高。

  变频恒压设备在选泵时要考虑到变频泵要有足够的调速范围,水泵的扬程要留有一定的余量,同时也要考虑到工频运行泵扬程不能超出额定值太多,否则电机将过载发热。

  1.3变压供水工作方式

  供水管网的扬程应该是根据满足最不利点的最低扬程选择的,如供水扬程能随着供水量的增加按照供水管网特性曲线H=HJ +SQ2 变化,始终能满足管网最不利点最低扬程,此供水方式被称为变压供水。

  变压供水设备的出口压力是一条与管网特性曲线相似的曲线,按照上述方法,作出图一中变压供水曲线(Q-H)3上各点的工况相似曲线,找出全速运行时(Q-H)1曲线上的相似工况点,再运用比例律计算出(Q-H)3曲线的功率曲线(Q-N)3曲线和效率曲线(Q-η)3,变压供水时设备出口压力随着流量降低扬程也降低,同时所需轴功率也更低,水泵效率更高。取流量200m3/h时比较三种运行方式的吨水电耗。

  全速运行吨水电耗:0.27m3/h

  恒压运行吨水电耗: 0.1 m3/h

  变压运行吨水电耗: 0.075 m3/h

  变压供水比恒压供水节能率高,变压供水进一步降低了设备出口的扬程余量,提高了中低流量段的水泵运行效率。

  1.4管网接力升压供水方式:

  接力升压供水方式是将供水设备直接串接在供水管网中,直接串联加压,设备具有流量调节器和负压消除器,可保证管路安全运行。

  管网接力升压供水方式的供水扬程是叠加在原有的管网压力基础上的,供水设备的实际扬程为:

  HS=H0-Hi---------------------(9)

  Ho--------泵站出口扬程

  Hi--------泵站进口扬程

  HS----------泵站设备扬程

  前面三种供水泵站运行是在设备相同的条件下进行比较,叠压供水设备水泵工况与上述三种方式不同,水泵

  图四 管网叠压设备水泵性能曲线

  所需扬程小的多。下面分析仍然采用上面的供水管网,水泵

  出口扬程50m,管网来水扬程20m,选用上述水泵进行叶轮

  二次切削SMG150-465B蜗壳式双吸离心泵,并且同时采用变压供水方式,用上述工况相似方法分析

  因采用接力升压供水方式,充分利用管网来水压力,此处管网来水压力20m,考虑来水压力波动,设备加压33m,同时采用变压运行方式,仍然按上述方法,作出接力升压运行方式的流量功率曲线(Q- N)4及流量效率曲线(Q-η)4。

  城镇二次加压泵站是对主管网加压,管网进口压力比较稳定,泵站出口压力增加不会太高,即泵站进口扬程与泵站出口扬程之比一般为1/3-1/2之间,此比值越高,节能率越高。

  设备扬程低功率就低,所需配备变压器、控制柜等容量就小,设备初投资少。又因不需修建水池,泵房占地面积小等因素,可以较大幅度的降低基建费用。节能率高,运行费用低。

  2、四种运行方式比较:

  由以上分析可知,各种运行方式的节能效果与供水曲线有关,根据供水曲线才能计算出节能率,下面计算出各运行方式不同流量下的能耗进行比较。

  取四种运行方式的不同流量的吨水电耗列入表一中:

  

电耗 流量

  度/吨

  运行方式 200

  吨/小时 300

  吨/小时 350

  吨/小时 400

  吨/小时 450

  吨/小时 500

  吨/小时

  1 0.270.220.210.20.1950.19

  20.10.150.1570.1670.1770.184

  30.0750.0830.120.1370.160.18

  40.040.060.0770.0830.1040.12

  表一 四种工作方式吨水电耗比较

  分析表中数据可见:

  1:全速运行供水方式在额定流量时水泵效率最高,吨水电耗最低,随着流量的降低,水泵效率降低,吨水电耗升高。

  2:因为在上述分析中没有计算变频设备自身的损耗,变速运行方式在额定转速时本身就不节能,再加上变频器的损耗,所以整体效率低于全速运行方式。

  3:随着转速下降,流量降低,变速运行方式的水泵效率较全速运行方式有明显提高,避免了多余的扬程,轴功率下降,吨水电耗下降,流量越低吨水电耗越低。

  4:变压供水方式较恒压供水方式节能,特别是在中小流量情况下。

  5:接力升压供水方式是最节能的运行方式,并可较大幅度降低设备费用、基建费用及运行费用。

  上述后三种运行方式分析是对变速运行的泵进行的,在实际泵站中一般有几台泵组成,一台泵变速运行,几台泵工频运行,节能率没有上述分析的高。在应用中应尽量增加变速泵的比重,比如采用二用一备工作方式,用水高峰时一台泵变速运行,一台泵工频运行,另一台泵作备用泵,在大部分时间是一台泵变速运行,这样一来系统经常是变频调速高效工作状态,可取得较好的节能效果。上述城镇二次加压泵站各种运行方式在控制上需要解决以下问题:

  (1)、以比较简单的方法实现变压供水。

  (2)、在大中型变频设备中解决水泵变频与工频切换过程冲击及软启、软停问题。

  (3)、提高设备运行的可靠性,实现零故障运行。

  在上述接力升压运行方式中要求测量管网远端扬程,城镇供水管网输送距离比较远,信号传输比较困难,可采用根据流量近似计算管网水头损失,对设备出口压力进行补偿,既流量补偿技术。

  流量补偿技术,即随着流量的变化,模拟管网特性曲线,不断的调整设备的出口压力,保证管网最不利点的压力能稳定在一定范围之内。

  流量补偿技术要知道管网特性曲线,可采用回归模型或者是逐次逼近法建立管网特性曲线。

  一个因变量受另一个或几个自变量制约的关系,称为回归模型,用于回归模型的统计方法称回归分析。回归分析的目的在于导出由自变量预测因变量的回归方程,并要知道这种预测或控制能达到何种精确程度。此处采用一元二次回归模型来拟合管网特性曲线。

  HZ=HJ +SQ2 ---------------------(11)

  HJ:为管网最低扬程,

  S; 特定管路的阻力系数

  HZ: 所需的水泵总扬程

  Q: 管路流量。

  这里流量是自变量,所需的水泵总扬程是因变量,此处有二个未知数,最少要采4个点的数据。在一天选出4个不同流量点,手动调整出口扬程,使满足远端最低扬程需要。现在回归分析计算机程序很多,只要输入相关数据就可得出结果,并可进行显著性检测,只要检测结果达到显著水平,此方程就可使用。

  也可采用逐次逼近法,从方程(11)中可见,HJ影响低流量段,S影响高流量段,在不同流量段反复调整出口扬程,保证远端最低扬程需要,可逐步接近管网实际特性曲线,满足供水要求。

  流量补偿可采用内补偿和外补偿,外补偿是设备出口安装流量计,根据流量补偿出口压力。内补偿是根据所开泵的数量及变频器的输出频率,估算流量及出口压力补偿值。

  内补偿需要知道频率与流量之间的关系,因为供水管网有最低扬程,频率高于一个临界值时水泵才上水,此临界频率与水泵的额定扬程及管网的最低扬程有关,可近似地计算临界转速:

  nL=(HD/H0)1/2.ne

  nL 临界转速

  H0 水泵最高扬程

  HD 管网静扬程

  ne 水泵额定转速

  临界转速一般是变频器输出频率在25-30HZ左右时的转速。

  上述三种调频工作方式转速与流量的关系在临界转速以上时,可近似认为转速与流量成线性关系,变频泵的流量为:

  如ny≥ nL

  Qb=(ny-nL)/(n0-nL)*Qe

  Qb 变频泵流量

  ny 变频泵运行转速

  nL 变频泵临界转速

  n0 变频泵额定转速

  Qe 变频泵额定流量

  Qz=Qb+KQd

  Qz 总流量

  Qd 每台定量泵流量

  K 正在运行的定量泵数量

  将上述数据代入(11)式中就可求出设备总扬程,内补偿方法简单可靠,节能效果较恒压供水好的多。

  目前普遍采用的变频调速供水控制设备存在着较大弊端,水泵在变频与工频切换过程存在着致命机械和电气冲击,系统不能实现循环软停。在大中型供水系统中,上述问题直接影响系统安全运行,如果处理不当,将会酿成重大生产事故。为此我公司开发了无冲击切换控制系统,该系统采用由变频器和软启动组合的控制方式,可以实现真正的无冲击循环软启、软停,可以较彻底的解决启、停过程的机械及电器冲击,避免了供水系统启、停过程产生的水锤危害,此技术在文献2中有详细论述,此处不再赘述。

  综上所述,城镇二次加压供水系统采用叠压运行方式,同时采用变压供水、无冲击切换控制模式,可以取得非常好的节能效果,并可较大幅度的降低设备费用和基建费用,设备运行平稳,可靠性高,设备调整好以后运行中很少需要人干预,操作简便,自动化水平高。此项技术在大中型加压站中具有推广价值。

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