一種變頻泵站節(jié)約能耗的計算機控制技術

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給水行業(yè)的配水、增壓泵站進行變頻調速節(jié)能技術改造后，經(jīng)過運行，普遍發(fā)現(xiàn)在使用過程中存在以下問題：
1、 在滿足用戶的需水量及保證供水壓力的情況下，開并聯(lián)泵組時，水泵節(jié)電很少甚至不節(jié)電；一臺調速泵運行時，節(jié)電很少或不節(jié)電。
2、當工況點、管網(wǎng)參數(shù)等情況發(fā)生變化后，且在泵站系統(tǒng)滿足工況條件下，調速系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)運行不穩(wěn)定現(xiàn)象，從而造成節(jié)能效果不能保持最低的單位電耗值。
針對供水行業(yè)的使用情況，許多人盲目的把變頻調速設備當作節(jié)能設備來看待，實際上對變頻技術根本不清楚，也沒有確切衡量節(jié)電效果的準確尺度。對此，本文討論在并聯(lián)泵組中，機組如何合理搭配運行以及使用調速方式，采用力控組態(tài)軟件+PLC控制技術，解決對泵站節(jié)能經(jīng)濟運行的量化問題。

一、能耗最小的并聯(lián)泵組合理運行搭配及調速方式的控制理論
1 、控制原理
　　在泵站系統(tǒng)的工藝參數(shù)（流量、壓力）、設備參數(shù)（水泵、電機、調速裝置）等確定的情況下，采用最小二乘法理論找出H-Q之間的函數(shù)關系，運用并聯(lián)泵組特性曲線擬合法，自動找出一套耗能最小的運行搭配和調速方式，即優(yōu)化泵組合方案（運行搭配合理的泵組工況點穩(wěn)定運行在高效區(qū)間內）。當然，該優(yōu)化泵組合方案并不一定是每臺水泵都能達到最優(yōu)，在這里是指一個泵站內水泵優(yōu)化組合后的總體效果，可以形象的說把整個泵站內已優(yōu)化組合后的每一泵組合方案看作一臺水泵，我們把泵組合方案稱為虛擬水泵，而這一臺虛擬水泵在一定壓力和流量下，用最小二乘法理論計算出虛擬水泵的特性方程和特性曲線為標準，找出虛擬水泵高效區(qū)的范圍。當“虛擬水泵”的工況點不在高效區(qū)內運行時，控制系統(tǒng)可根據(jù)水泵調速的相似定理和等效率原理，通過設定參數(shù)自動調整變頻泵的運行工況點，使動態(tài)運行虛擬水泵的工況點處在高效區(qū)內，此時單位流量耗能最?。刂圃?示意見圖1）。




欲使調速后的“虛擬水泵”方案工況點運行在高效區(qū)內，可根據(jù)相似定理和等效率原理，使“虛擬水泵”調速后的特性曲線經(jīng)過設定的（流量、壓力）參數(shù)點，此點就是“虛擬水泵”的最佳工況點。

二、技術設計與實現(xiàn)
1、泵站的工藝流程及控制流程
1.1泵站的工藝流程
我公司董莊配水泵站采用直抽方式對一條DN800管道進行配水，最終配水流量為2100m3/h，出站壓力為0.39MPa。主要設備有： 2臺日本MITSUTISHI F系列變頻器；4臺離心式送水泵，每臺送水泵配一臺出水電動閥、一個吊水電磁閥；2臺立式潛水泵(排水用)；2臺真空泵(送水泵真空吊水用)。此外，設備還有與系統(tǒng)相關的自動化儀表等。從節(jié)能降耗的目標出發(fā)，配水泵站最終的泵組優(yōu)化搭配及調速方案（表1）。


　　配水水泵在清水池水位有效水深1.8米以上時，為自灌式；1.8米以下需進行真空吊水。水泵開停臺數(shù)，根據(jù)清水池的水位、服務壓力和流量的參數(shù)自動優(yōu)化組合，并把機泵的運行狀態(tài)通過PLC 的I/O接口及時傳送給力控組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫，使值班人員隨時監(jiān)控各機泵運行情況；排水泵根據(jù)集水坑水位、真空泵根據(jù)真空吊水要求自動確定開、停泵。在電氣回路中，高、低壓開關柜倒閘均為人工操作，電量和儀表數(shù)據(jù)記錄自動傳輸，值班人員可從顯示屏上及時看到每一臺虛擬水泵的單位流量電耗值和其它參數(shù)。

1.2泵站的控制流程
泵站內的機泵控制，可采用現(xiàn)場手動控制方式、半自動控制方式、全自動控制方式，運行機泵出現(xiàn)故障時，備用機泵自動開啟。
設定“虛擬水泵”的參數(shù)（流量、壓力），顯示屏上同時顯示“虛擬水泵”的理論H-Q特性曲線和管網(wǎng)特性曲線(見圖2)。根據(jù)每一臺“虛擬水泵”對應的理論單位流量電耗值，選擇“虛擬水泵”方案，并輸出所選的方案。在機泵啟動前，系統(tǒng)自動檢測清水池水位狀態(tài)、泵停止狀態(tài)、泵非故障狀態(tài)、泵運行狀態(tài)、變頻器非故障狀態(tài)、閥門的位置狀態(tài)信號是否正常，若不正常，停止開泵；若信號正常，依次啟動調速泵、定速泵，自動打開對應出水閥門，“虛擬水泵”運行正常后，可從顯示屏上監(jiān)控“虛擬水泵”理論特性曲線與該“虛擬水泵”實際疊加后動態(tài)特性曲線的擬合情況，值班人員很快能知道“虛擬水泵”工況點是否運行在高效區(qū)，若“虛擬水泵”的實時單位流量電耗值超過理論單位流量電耗值，系統(tǒng)則發(fā)出聲、光報警信號，及時通知值班人員，用本地控制方式由值班人員手動控制調節(jié)，使“虛擬水泵”的工況點運行在高效區(qū)內。若以上有任一信號不正確，管網(wǎng)壓力和流量即使?jié)M足要求，也不能開泵，同時，發(fā)出報警信號。另外，每一臺機泵的運行實時電流超過本身正常的額定電流，且延時8秒時，發(fā)出故障報警信號，并緊急停泵。水泵若未能按程序操作，則報警。每臺水泵電機發(fā)生故障，都可以自動關閉對應閥門，并發(fā)出故障報警信號，同時備用泵自行投入運行。PLC接到關泵指令，先關閉對應出水閥門，水泵再停止運轉。排水泵的控制邏輯和高、低壓配電的監(jiān)控參數(shù)由PLC單獨控制。



2、軟件的設計與實現(xiàn)
根據(jù)泵組合理運行搭配及調速理論、控制流程、，程序監(jiān)控流程圖（圖3）為：



三、應用效果
　　2000年6月經(jīng)過實測的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，我們發(fā)現(xiàn)單獨采用自控變頻控制技術后，在并聯(lián)泵組運行時，節(jié)能較少，跟沒有使用變頻設備差不多。2002年4月經(jīng)過用組態(tài)軟件+PLC+變頻調速控制技術改造后，泵站系統(tǒng)在滿足工況條件下，自動變頻系統(tǒng)運行穩(wěn)定，節(jié)能效果長期保持最低的單位電耗值，比原來用變頻設備改造后節(jié)約30%左右（見表2）。



四、結語
綜上所述，在供水行業(yè)內，使用自控變頻設備是否節(jié)能，經(jīng)過實踐，我們認為只有對應用環(huán)境、控制對象以及經(jīng)準確理論測算有多大的節(jié)能潛力，然后采用什么樣的自動控制方案改造節(jié)能潛力最大，且系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果保持長期穩(wěn)定，才是我們真正要達到的用當前信息工程技術改造傳統(tǒng)控制過程的目的。



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