一種變頻泵站節(jié)約能耗的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

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給水行業(yè)的配水、增壓泵站進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)改造后，經(jīng)過(guò)運(yùn)行，普遍發(fā)現(xiàn)在使用過(guò)程中存在以下問(wèn)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(shí)，水泵節(jié)電很少甚至不節(jié)電；一臺(tái)調(diào)速泵運(yùn)行時(shí)，節(jié)電很少或不節(jié)電。
2、當(dāng)工況點(diǎn)、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(diào)速系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)運(yùn)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(duì)供水行業(yè)的使用情況，許多人盲目的把變頻調(diào)速設(shè)備當(dāng)作節(jié)能設(shè)備來(lái)看待，實(shí)際上對(duì)變頻技術(shù)根本不清楚，也沒(méi)有確切衡量節(jié)電效果的準(zhǔn)確尺度。對(duì)此，本文討論在并聯(lián)泵組中，機(jī)組如何合理搭配運(yùn)行以及使用調(diào)速方式，采用力控組態(tài)軟件+PLC控制技術(shù)，解決對(duì)泵站節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的量化問(wèn)題。

一、能耗最小的并聯(lián)泵組合理運(yùn)行搭配及調(diào)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(shè)備參數(shù)（水泵、電機(jī)、調(diào)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(guān)系，運(yùn)用并聯(lián)泵組特性曲線擬合法，自動(dòng)找出一套耗能最小的運(yùn)行搭配和調(diào)速方式，即優(yōu)化泵組合方案（運(yùn)行搭配合理的泵組工況點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行在高效區(qū)間內(nèi)）。當(dāng)然，該優(yōu)化泵組合方案并不一定是每臺(tái)水泵都能達(dá)到最優(yōu)，在這里是指一個(gè)泵站內(nèi)水泵優(yōu)化組合后的總體效果，可以形象的說(shuō)把整個(gè)泵站內(nèi)已優(yōu)化組合后的每一泵組合方案看作一臺(tái)水泵，我們把泵組合方案稱為虛擬水泵，而這一臺(tái)虛擬水泵在一定壓力和流量下，用最小二乘法理論計(jì)算出虛擬水泵的特性方程和特性曲線為標(biāo)準(zhǔn)，找出虛擬水泵高效區(qū)的范圍。當(dāng)“虛擬水泵”的工況點(diǎn)不在高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)可根據(jù)水泵調(diào)速的相似定理和等效率原理，通過(guò)設(shè)定參數(shù)自動(dòng)調(diào)整變頻泵的運(yùn)行工況點(diǎn)，使動(dòng)態(tài)運(yùn)行虛擬水泵的工況點(diǎn)處在高效區(qū)內(nèi)，此時(shí)單位流量耗能最小（控制原理 示意見圖1）。




欲使調(diào)速后的“虛擬水泵”方案工況點(diǎn)運(yùn)行在高效區(qū)內(nèi)，可根據(jù)相似定理和等效率原理，使“虛擬水泵”調(diào)速后的特性曲線經(jīng)過(guò)設(shè)定的（流量、壓力）參數(shù)點(diǎn)，此點(diǎn)就是“虛擬水泵”的最佳工況點(diǎn)。

二、技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)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(duì)一條DN800管道進(jìn)行配水，最終配水流量為2100m3/h，出站壓力為0.39MPa。主要設(shè)備有： 2臺(tái)日本MITSUTISHI F系列變頻器；4臺(tái)離心式送水泵，每臺(tái)送水泵配一臺(tái)出水電動(dòng)閥、一個(gè)吊水電磁閥；2臺(tái)立式潛水泵(排水用)；2臺(tái)真空泵(送水泵真空吊水用)。此外，設(shè)備還有與系統(tǒng)相關(guān)的自動(dòng)化儀表等。從節(jié)能降耗的目標(biāo)出發(fā)，配水泵站最終的泵組優(yōu)化搭配及調(diào)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(shí)，為自灌式；1.8米以下需進(jìn)行真空吊水。水泵開停臺(tái)數(shù)，根據(jù)清水池的水位、服務(wù)壓力和流量的參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化組合，并把機(jī)泵的運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)PLC 的I/O接口及時(shí)傳送給力控組態(tài)軟件實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，使值班人員隨時(shí)監(jiān)控各機(jī)泵運(yùn)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(dòng)確定開、停泵。在電氣回路中，高、低壓開關(guān)柜倒閘均為人工操作，電量和儀表數(shù)據(jù)記錄自動(dòng)傳輸，值班人員可從顯示屏上及時(shí)看到每一臺(tái)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(nèi)的機(jī)泵控制，可采用現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制方式、半自動(dòng)控制方式、全自動(dòng)控制方式，運(yùn)行機(jī)泵出現(xiàn)故障時(shí)，備用機(jī)泵自動(dòng)開啟。
設(shè)定“虛擬水泵”的參數(shù)（流量、壓力），顯示屏上同時(shí)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(tái)“虛擬水泵”對(duì)應(yīng)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(jī)泵啟動(dòng)前，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)清水池水位狀態(tài)、泵停止?fàn)顟B(tài)、泵非故障狀態(tài)、泵運(yùn)行狀態(tài)、變頻器非故障狀態(tài)、閥門的位置狀態(tài)信號(hào)是否正常，若不正常，停止開泵；若信號(hào)正常，依次啟動(dòng)調(diào)速泵、定速泵，自動(dòng)打開對(duì)應(yīng)出水閥門，“虛擬水泵”運(yùn)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(shí)際疊加后動(dòng)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(diǎn)是否運(yùn)行在高效區(qū)，若“虛擬水泵”的實(shí)時(shí)單位流量電耗值超過(guò)理論單位流量電耗值，系統(tǒng)則發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，及時(shí)通知值班人員，用本地控制方式由值班人員手動(dòng)控制調(diào)節(jié)，使“虛擬水泵”的工況點(diǎn)運(yùn)行在高效區(qū)內(nèi)。若以上有任一信號(hào)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(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。另外，每一臺(tái)機(jī)泵的運(yùn)行實(shí)時(shí)電流超過(guò)本身正常的額定電流，且延時(shí)8秒時(shí)，發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，并緊急停泵。水泵若未能按程序操作，則報(bào)警。每臺(tái)水泵電機(jī)發(fā)生故障，都可以自動(dòng)關(guān)閉對(duì)應(yīng)閥門，并發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，同時(shí)備用泵自行投入運(yùn)行。PLC接到關(guān)泵指令，先關(guān)閉對(duì)應(yīng)出水閥門，水泵再停止運(yùn)轉(zhuǎn)。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(dú)控制。



2、軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
根據(jù)泵組合理運(yùn)行搭配及調(diào)速理論、控制流程、，程序監(jiān)控流程圖（圖3）為：



三、應(yīng)用效果
　　2000年6月經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，我們發(fā)現(xiàn)單獨(dú)采用自控變頻控制技術(shù)后，在并聯(lián)泵組運(yùn)行時(shí)，節(jié)能較少，跟沒(méi)有使用變頻設(shè)備差不多。2002年4月經(jīng)過(guò)用組態(tài)軟件+PLC+變頻調(diào)速控制技術(shù)改造后，泵站系統(tǒng)在滿足工況條件下，自動(dòng)變頻系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果長(zhǎng)期保持最低的單位電耗值，比原來(lái)用變頻設(shè)備改造后節(jié)約30%左右（見表2）。



四、結(jié)語(yǔ)
綜上所述，在供水行業(yè)內(nèi)，使用自控變頻設(shè)備是否節(jié)能，經(jīng)過(guò)實(shí)踐，我們認(rèn)為只有對(duì)應(yīng)用環(huán)境、控制對(duì)象以及經(jīng)準(zhǔn)確理論測(cè)算有多大的節(jié)能潛力，然后采用什么樣的自動(dòng)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(zhǎng)期穩(wěn)定，才是我們真正要達(dá)到的用當(dāng)前信息工程技術(shù)改造傳統(tǒng)控制過(guò)程的目的。



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