变频器在给水工程中的应用

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飘香发表于 2008/9/24 15:13:41 732 查看 5 回复 [上一主题] [下一主题]

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变频器在给水工程中的应用　1 前言在给水工程中，流量、液面、压力、温度等参数常随工况的改变而变化，过去，由于技术水平的限制，没有一种合适的调速方法，因此只能采用控制阀门或挡板开度的方法来改变流量、液面等，即用人为增减阻力的办法来实现调节:工艺需要小流量时，大量能量损失在阀门或挡板上。以某水厂二级泵站为例，该泵站是水厂的重要组成部分，水泵是水厂中耗能较大的设备，它需要保证居民区生活用水有足够的水量与水压。由于水泵的选型是按照最不利条件下、最大时流量及相应扬程设计的，而在实际运行中，由于季节、温度和昼夜的变化，水泵多为低负荷工作，以前靠泵出口阀门开度的大小来调节水量与水压，其能量耗损很大。近年来，随着电力电子技术的发展，交流电机变频调速技术有了很大的进步，变频器的功能及可靠性越来越高，作为一种高效的交流电机调速装置，它不仅可实现整个启动过程中平滑、无冲击，而且可根据电机的负载特性来调整启动时间等参数，其最大的优点是具有明显的节能特性及能改善生产工艺，保持压力稳定。在上述二级泵站中采用了变频调速技术，对水泵实现闭环控制，很好地达到了节能和稳定运行的目的。 2 节能原理分析为了适应实际生活中用水量的变化，以往采用调节清水泵出口阀门去控制出口压力在某一规定值上，这就造成了处于管网不同处的用户用水时的水压不均，有的超压，有的欠压。水泵机组应用变频调速技术，即通过改变电动机定子频率来改变电动机转速，这样可以相应地改变水泵转速及工况，使其流量与扬程适应管网用水量的变化，保持管网最不利点压力恒定，达到节能效果。如图1所示，n为水泵特性曲线，A为管路特性曲线，H0为管网末端的服务压力，H'为泵出口压力。当用水量达到最大Qmax时，水泵全速运转，出口阀门全开，达到了满负荷运行，水泵的特性曲线n0和用水管路特性曲线AO交于b点，则其工况点为b点，此时，水泵的出口压力为H'，末端服务压力刚好为H0。当用水量从Qmax减少到Q1的过程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。 (1) 水泵全速运转，靠关小泵出口阀门来控制:此时，管路阻力特性曲线变陡(A2)，水泵的工况点由b点上升到c点，而管路所需的扬程将由b点下滑到d点，这样，c点和d点扬程的差值即为全速水泵时，由关阀门引起的能量浪费。 (2) 水泵变速运转，靠泵出口压力恒定来控制:此时，当用水量由Qmax下降时，控制系统降低水泵转速来改变其特性。但由于采用泵出口压力恒定方式工作，所以其工况点始终在H'上平移。在水量到达Q1时，相应的水泵特性曲线为nx，而管路的特性曲线将向上平移到A1，两线交点e即为此时工况点。这样，在水量减少到Q1时，将导致管网最不利点水压升高到H1，H1>H0，则h1即为水泵的能量浪费。 (3) 水泵变速运转，靠管网取不利点压力恒定来控制:此时，当用水量由Qmax下降到Q1时，水泵降低转速，水泵特性曲线变为n1，其工况点为d点，正好落在管路特性曲线A0上，这样可使水泵工作点始终沿A0滑动。管网的服务压力H0恒定不变，其扬程与系统阻力相适应，没有能量的浪费。此方案与泵出口恒压供水相比，其能耗下降了h1。根据以上分析表明，选择供水管网最不利点允许的最低压力为控制参数，通过压力传感器获得压力信号，组成闭环压力自控调速系统，使水泵的转速保持与调速装置所设定的控制压力相匹配，使调速技术和自控技术相结合，达到最佳节能效果。此外，最不利点的控制压力还保证了用户水压的稳定，无论管路特性曲线等因素发生什么变化，最不利点的水压始终是恒定的，保证了居民用水压力的正常。对离心泵而言，其特性曲线公式为: P = Q Hγ/102η 其中: P为使用工况轴功率; Q为使用工况点的流量; H为使用工况点的扬程; γ为输出介质单位体积重量; η为泵的效率。根据这个公式，c点的轴功率为: PC = Q1 HC γ/102η d点的轴功率为: Pd = Q1 Hd γ/102η 则 △P = PC- Pd = Q1(HC-Hd)γ/102η 也就是说，用阀门控制流量时，有△P的功率是被浪费了，并且随着阀门不断关小，这个损耗还要增加，而对于泵类风机类负载，流量与转速成正比，电机的轴功率与转速的立方成正比;而变频调速与滑差调速、液力耦合器调速不同，它没有转差损耗，本身固有的损耗极低，在各种速度下变频器输入功率都近似等于电机的轴功率。因此，采用变频技术调不同流量时消耗的功率: P变 = n3 Ped = Q3 Ped 而采用阀门控制流量，电机在额定转速下定速运转，在不同流量时电机消耗的功率为: P阀 = (0.4+0.6Q) Ped 假设当前流量为额定流量的50%，则采用变频调速技术时消耗的功率为0.125Ped(0.53×Ped)，而采用阀门控制流量时消耗的功率为0.7Ped(=0.4+0.6×0.5)Ped，节电率为(0.7-0.125)/0.7=82.1%，节电效果非常明显。当然，对于某台机泵的节能多少，还与其运行时间的多少，调节流量与不调节流量的时比，以及流量调节范围的大小有关。而从实际检测的结果中反映，改用变频技术控制后，机泵的运行电流减少了，系统故障降低了，机泵寿命延长了，为企业带来了可观的经济效益。 3 系统构成及运行仍以该二级泵站为例，该泵站由两台生活供水泵负责生活区供水，每台电机功率为185kW。根据统计，生活区用水时刻变化，高峰期用水量可达到1200~1400t/h，而夜间最低峰用水量只有400t/h左右，因此，具有很大的节能潜力。此变频调速控制系统构成如图2所示。系统包括水泵、电机、变频器、PID调节器、变送器等，调节手段采用管网最不利点恒压控制。压力变送器将信号通过屏蔽电缆送到PID调节器后，同时控制2台电动机的频率，调速后的扬程与管路阻力特性曲线相吻合，获得最佳的节能效果。变频器频率设定既可以手动设定也可以根据管网末端最不利点的压力形成闭环控制系统，实时在线调节电机的转速。在本系统中，两台水泵电机全部采用变频调速，而没有采用一台定速另一台调速的做法，尽管一次性投资稍大，但给整个系统带来性能提升也十分显著:(1)如果采用两台水泵一台定速一台调速的配置，运行时全速运转的定速泵产生的出口压力较高，由于两台水泵出水口为同一管路，因此，对速度相对低的变频泵的出口形成一个反压，如果变频泵的转速达不到相应速度，就无法打开逆止阀进行供水。这样一来，变频泵的可调节范围被大大缩小了，降低了系统的实用性。两台水泵同时调速则不存在速度差，调速范围广，节能效果显著增加。(2)在用水低峰时，通常只需要一台变频泵进行调速就可以满足整个供水要求，直到用水量上升后再启动另一台水泵。这时如果另一台水泵是定速的，只能做直接启动，对电气系统和设备的冲击都很大，特别是在用水需求出于启动和停止的临界时，电机容易处于频繁起停状态，对于185kW的电机而言危害很大。两台泵都采用变频调速，任何一台都可以随时软启动和运行，完全避免了以上问题，也大大方便了设备检修。近几年来，变频器的保护功能日益齐全，从而保证并提高了系统的可靠性，同时，还设有故障显示记忆功能，便于分析和排除故障。本系统主要有下列保护功能:瞬间停电保护、过载保护、过电压保护、过热保护、防止失速保护等。同时，变频器带有改善功率因数的直流电抗器，使系统功率因数得到提高。 4 经济效益分析水泵变频调速后，泵的出口扬程大幅度下降，节能显著。水泵的运行方式为白天两台泵同时运行，夜间只运行一台泵，具体节能效果如下表所示: 使用变频器后，电机转速下降，泵出口压力降低，减少了机械磨损，降低了维修工作量，处长了设备使用寿命，提高了功率因数。变频器的软启动特性避免了电机直接起动时大电流对电机线圈和电网的冲击。采用变频器后，电动机和泵共同组合为一体，它既是动力源，又是供水调节执行机构，改变了传统的控制方式，实现了生产过程自动化，减少了工人的劳动强度。闭环控制系统适应水量变化，实现在线调整，保证管网末端压力恒定，不存在人为调整的滞后现象。总之，变频器调速技术具有设备体积小、调速范围大、调速特性好、无级调速、效率和功率因数高等优点，在石化企业水泵上运行安全可靠，实现闭环控制后，满足用水量随时变化的需要，保证管网末硬度力恒定，具有明显的节能降耗作用，经济效益十分显著。

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bubli   |   当前状态：在线

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bubli   发表于 2008/9/24 8:50:49

段落应该弄一下，不要复制过来就不管了啊
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dingxiubing   |   当前状态：在线

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dingxiubing   发表于 2008/9/24 8:53:37

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syzdw   |   当前状态：在线

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syzdw   发表于 2008/9/24 14:19:13

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txax   |   当前状态：离线

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txax   发表于 2008/9/24 15:13:41

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