自來(lái)水廠變頻循環(huán)投切增壓給水設(shè)備系統(tǒng)
2013/5/8 13:58:35??????點(diǎn)擊：
一.前言
自來(lái)水廠的供水泵站中,，供水系統(tǒng)一般由若干臺(tái)揚(yáng)程相近的水泵組成，調(diào)節(jié)水壓和流量的傳統(tǒng)方法是,，按期望輸出的水壓和流量用人工控制水泵運(yùn)行的臺(tái)數(shù)。如供水能力4-6萬(wàn)噸/日的自來(lái)水廠,，水泵的配置方案有多種,，其中一種可行的方案是三臺(tái)160KW和一臺(tái)90KW水泵組成。系統(tǒng)工作時(shí),，傳統(tǒng)的方法是,，若供水量較大，顯然,，流量和管網(wǎng)水壓已經(jīng)不能滿足要求,，這時(shí)需人工投入水泵，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管網(wǎng)水壓情況由工人來(lái)決定投入160KW水泵還是90KW水泵,；若供水量減小,，管網(wǎng)水壓會(huì)升高，此時(shí)又需人工切除水泵,。在深夜用水量較小時(shí),，為節(jié)能考慮用一臺(tái)90KW水泵供水。由于水泵的流量較大,，為避免“水錘”效應(yīng),，人工投切時(shí)，投入泵應(yīng)遵循“先開(kāi)機(jī),，后開(kāi)閥”切除泵應(yīng)遵循“先關(guān)閥,，后停機(jī)”的操作程序。若是小功率的水泵,，水泵的出水側(cè)都裝有普通止回閥,，其本上能自動(dòng)保證以上的操作程序，只是停機(jī)時(shí)止回閥關(guān)閉前的瞬間還是有“水錘”效應(yīng)產(chǎn)生,，如果安裝的是“微阻緩閉止回閥”,，停機(jī)時(shí)基本上也不存在”水錘“效應(yīng),。
二.變頻增壓給水設(shè)備系統(tǒng)的控制方案
由于城市自來(lái)水的用量隨季節(jié)的變化而變化，隨每日時(shí)段不同而變化,。為使供水的水壓恒定，較常見(jiàn)的辦法是采用變頻增壓給水設(shè)備系統(tǒng),，即壓力變送器裝在主管網(wǎng)上檢測(cè)管網(wǎng)壓力信號(hào),，再將此壓力信號(hào)送到變頻器（PLC）的模擬信號(hào)輸入端口，由此構(gòu)成壓力閉環(huán)控制系統(tǒng),，管網(wǎng)壓力的恒定依賴變頻器的調(diào)節(jié)控制,。對(duì)于多泵情況，可以兩種不同的控制系統(tǒng)方案,，一種是”順序控制方案”,，系統(tǒng)圖如圖一所示
圖一 順序控制方案系統(tǒng)圖
圖中：BP1—變頻器；BU1～BU4--軟起動(dòng)器,PT—壓力變送器,。由圖一可見(jiàn),，變頻器連接在第，一臺(tái)水泵電機(jī)上,，需要加泵或減泵時(shí),，由變頻器RO1～RO3端口輸出信號(hào)起動(dòng)或停止其他的水泵，這時(shí)水泵的起動(dòng)采用自耦減壓起動(dòng)裝置或軟起動(dòng)器,。這種方案的特點(diǎn)是水泵電機(jī)不需要在變頻和工頻之間切換,；第，一臺(tái)水泵 連接在變頻器上,，沒(méi)有切換過(guò)程中的失壓現(xiàn)象,；由于變頻泵以外的泵都有軟起動(dòng)器，所以不需要再做備用系統(tǒng),，當(dāng)變頻器故障時(shí),，可用軟起動(dòng)器手動(dòng)起動(dòng)M2～M4水泵，保證供水不致中斷,；每臺(tái)電機(jī)都有起動(dòng)器,，初始投資較大。另一種是“循環(huán)投切”方案,，系統(tǒng)圖如圖二所示
圖二 變頻增壓給水設(shè)備系統(tǒng)循環(huán)投切方案系統(tǒng)圖
圖中：BP1—變頻器,，BU1—軟啟動(dòng)器，PT－壓力變送器,，ZJ1,、ZJ2－用于控制系統(tǒng)的起動(dòng)/停止和自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換。由圖二可見(jiàn),，變頻器連接在第,，一臺(tái)水泵電機(jī)上,，需要加泵時(shí)，變頻器停止運(yùn)行,，并由變頻器的輸出端口RO1～RO3輸出信號(hào)到PLC,，由PLC控制切換過(guò)程。切換開(kāi)始時(shí),，變頻器停止輸出（變頻器設(shè)置為自由停車）,，利用水泵的慣性將第，一臺(tái)水泵切換到工頻運(yùn)行,，變頻器連接到第,，二臺(tái)水泵上起動(dòng)并運(yùn)行，照此,，將第,，二臺(tái)水泵切換到工頻運(yùn)行，變頻器連接到第三臺(tái)水泵上起動(dòng)并運(yùn)行,；需要減泵時(shí),，系統(tǒng)將第，一臺(tái)水泵停止,，第,，二臺(tái)水泵停止，這時(shí),，變頻器連接在第三臺(tái)水泵上,。再需要加泵時(shí)，切換從第三臺(tái)水泵開(kāi)始循環(huán),。這種方式保證一直都有一臺(tái)水泵在變頻運(yùn)行,，四臺(tái)水泵中的任一臺(tái)都可能變頻運(yùn)行。這樣,，才能做到不論用水量如何改變都可保持管網(wǎng)壓力基本恒定,，且各臺(tái)水泵運(yùn)行的時(shí)間基本相同，給維護(hù)和檢修帶來(lái)方便,，所以,，大部分的供水廠家都鐘情于循環(huán)投切方案。但此方案也有不足之處,，就是在只有一臺(tái)變頻器運(yùn)行并切換到工頻過(guò)程中會(huì)造成管網(wǎng)短時(shí)失壓,，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分的引起重視。另外,，須設(shè)置一套備用系統(tǒng),，圖中的軟啟動(dòng)器就是作為備用。當(dāng)變頻器或PLC故障時(shí),，可用軟起動(dòng)器手動(dòng)輪流起動(dòng)各泵運(yùn)行供水,。
三.循環(huán)投切的工作過(guò)程
眾所周知,，變頻器的輸出端不能連接電源，也不能運(yùn)行中帶載脫閘,，切換過(guò)程應(yīng)按以下的程序進(jìn)行,。循環(huán)投切恒壓供水系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，當(dāng)變頻器的輸出頻率已達(dá)到50Hz或52Hz時(shí),，能否將變頻器的上限頻率設(shè)為52Hz,，取決于水泵電機(jī)運(yùn)行在52Hz時(shí)是否超載。在50Hz頻率下運(yùn)行60S管網(wǎng)水壓未達(dá)到給定值,，此時(shí)，該臺(tái)水泵需切換到工頻運(yùn)行,。切換過(guò)程是：先關(guān)該臺(tái)水泵電動(dòng)閥,，然后變頻器停車(停車方式設(shè)定為自由停車)，水泵電機(jī)慣性運(yùn)轉(zhuǎn),，考慮到電機(jī)中的殘余電壓,，不能將電機(jī)立即切換到工頻，而是延,，時(shí)一段時(shí)間,，到電機(jī)中的殘余電壓下降到較小值，這個(gè)值保證電源電壓與殘余電壓不同相時(shí)造成的切換電流沖擊較小,，在某水廠160KW水泵電機(jī)的切換時(shí)間為600ms,。連接在電機(jī)工頻回路中的空氣開(kāi)關(guān)容量為400A，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試切換過(guò)程的電流沖擊較小,，每一次切換都99.999%的成功,。關(guān)閥后停車，水泵電機(jī)基本上處于空載運(yùn)轉(zhuǎn),，到600ms時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降不是很多,，使切換時(shí)電流沖擊較小。切換完成后,，再打開(kāi)電動(dòng)閥,；已停車的變頻器切換到另外的水泵上起動(dòng)并運(yùn)行，再開(kāi)電動(dòng)閥,。切除工頻泵時(shí),，先關(guān)閥，后停車,，這樣無(wú)“水錘“現(xiàn)象產(chǎn)生,。這些操作都是由PLC控制自動(dòng)完成。
實(shí)際上,，電機(jī)的傳統(tǒng)起動(dòng)方式也存在一定的電流沖擊,。對(duì)電機(jī)直接時(shí),，起動(dòng)電流是額定電流的5～7倍，小功率的電機(jī)經(jīng)常采用直接起動(dòng)方式,。電機(jī)功率較大時(shí),，常用星—三角或自耦減壓起動(dòng)器。自耦減壓起動(dòng)器起動(dòng)電機(jī)時(shí),，首先加60%的電壓,，屬恒頻調(diào)壓調(diào)速，數(shù)秒鐘或數(shù)十秒鐘后(根據(jù)電機(jī)的容量而定),，電機(jī)加速到60%電壓時(shí)的速度,，將60%的電壓切除后立即連接到99.9999%(380V)電源上。切除60%電壓時(shí),，電機(jī)的速度較變頻器投到工頻時(shí)電機(jī)的速度要低,，殘余電壓相對(duì)低一些，投切是在瞬間完成的,，電流沖擊可能性較大,，為保證切換成功，回路上的空氣開(kāi)關(guān)容量一般都選得比較大,。循環(huán)投切時(shí),，電機(jī)從變頻往工頻切換，只要切換的延長(zhǎng)時(shí)間足夠,，電機(jī)由變頻切換到工頻時(shí)的電流沖擊不大,。一般殘余電壓的衰減時(shí)間為1—2秒，切換延長(zhǎng)時(shí)間也不是越長(zhǎng)越好,，延長(zhǎng)時(shí)間短,，殘余電壓高，速度降落少,；延長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng),，殘余電壓低，但速度降落大,。選擇延長(zhǎng)時(shí)間需二者兼顧,，以求得較小的沖擊電流。如果要使切換過(guò)程無(wú)電流沖擊,，需采用同步切換方式,，加入一些控制手段和控制元件就可實(shí)現(xiàn)，但考慮經(jīng)濟(jì)上是否合算,。
四.循環(huán)投切對(duì)變頻器和電機(jī)的影響
將電機(jī)從變頻狀態(tài)切換到工頻狀態(tài)時(shí),，變頻器內(nèi)的功率器件立即關(guān)閉，電機(jī)的電流不能躍變，功率器件旁的并聯(lián)二極管提供了續(xù)流通路,，殘余電壓經(jīng)二極管整流器和中間環(huán)節(jié)電容流通,，轉(zhuǎn)子電阻消耗能量，電機(jī)的定子也能消耗部分能量,，因此,，殘余電壓的衰減比較快，雖然在切換時(shí)仍有一定的殘余電壓,，但對(duì)變頻器影響已經(jīng)很小,，對(duì)電機(jī)壽命也無(wú)多大的影響。自耦減壓起動(dòng)器切換時(shí),，電機(jī)內(nèi)定子的殘余電壓無(wú)通路流通,，只有轉(zhuǎn)子回路是閉合回路，也只有轉(zhuǎn)子電阻消耗能量,，殘余電壓的衰減比較慢,。切換時(shí)，因殘余電壓存在而形成的沖擊電流較大,，對(duì)電機(jī)有一定的影響，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)已充分考慮了這些因素,。
五.增壓給水設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例
四川遂寧市自來(lái)水二廠,，供水能力6萬(wàn)噸/日，城市管網(wǎng)壓力0.4MPa,，泵組為3臺(tái)160KW,，1臺(tái)90KW水泵，要求恒壓供水并采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控,，變頻器或控制系統(tǒng)故障可由軟起動(dòng)器手動(dòng)起動(dòng)各泵,。
（1）計(jì)算機(jī)監(jiān)控內(nèi)容
管網(wǎng)壓力，流量,，泵的運(yùn)行狀態(tài),，閥啟閉狀態(tài)，電機(jī)溫度,，各泵運(yùn)行的電流,，電壓，功率和功率因素,，并監(jiān)控水質(zhì)參數(shù)如余氯,濁度,，含鐵量，PH值等,。
（2）原理框圖
采用循環(huán)投切方式,，備用系統(tǒng)用一軟起動(dòng)器和相關(guān)器件構(gòu)成。
圖三 計(jì)算機(jī)監(jiān)控原理圖
為保證系統(tǒng)的可靠性,，上位機(jī)PC用于管理,，用組態(tài)軟件做出若干工藝流程圖,，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，并統(tǒng)計(jì)歷史數(shù)據(jù),，如需要可隨時(shí)打印報(bào)表,；還用于故障的報(bào)警和處理。PC機(jī)為研華工業(yè)計(jì)算機(jī),，PLC為西門子S-7300,便于與總控室計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng),，采用帶有Profibus接口的CPU315.CP5611是通信模塊，PDM-820AC電參數(shù)綜合分析儀用于檢測(cè)系統(tǒng)的用電量,?？刂扑玫钠?停，切換,，閥的啟/閉,；電機(jī)電流，溫度的檢測(cè),，水泵使用時(shí)間的統(tǒng)計(jì),；壓力，流量,，水質(zhì)參數(shù)的采集等,，均由PLC完成。水壓的給定值由變頻器鍵盤設(shè)定,。
圖四 變頻增壓給水設(shè)備系統(tǒng)電氣原理圖
如圖四所示,，與前述的循環(huán)投切方案基本相同，BP1為160KW變頻器,，DZ1—DZ6為L(zhǎng)G ABE403a 400A空氣開(kāi)關(guān),，F(xiàn)U1 500A,FU2 600A為快熔，KM1-KM10位LG GMC-400交流接觸器,，PT為森納斯壓力變送器,，量程1Mpa.系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，水泵電機(jī)從變頻狀態(tài)切換到工頻狀態(tài),，延長(zhǎng)時(shí)間從300ms起,，到500ms時(shí)電流表顯示也無(wú)明顯的沖擊， 后定為600ms.軟起動(dòng)器設(shè)定為限流起動(dòng)方式,，設(shè)定為2.5倍,。軟起動(dòng)器起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流接近800A,但在30S內(nèi)下降到額定電流以下,，查600A熔斷器曲線,通過(guò)1000A電流在60S熔斷,，所以軟起動(dòng)器的熔斷器定為600A。該系統(tǒng)已經(jīng)投產(chǎn)兩年，每日供水4-5萬(wàn)噸,，運(yùn)行良好,。據(jù)廠家統(tǒng)計(jì)，電耗/噸減少20%.
六.結(jié)論：
多泵變頻增壓給水設(shè)備系統(tǒng)常用的兩種構(gòu)成方案,，兩種方案各有優(yōu)劣,，采用循環(huán)投切方案的系統(tǒng)較多，在水泵電機(jī)從變頻狀態(tài)切換到工頻狀態(tài)時(shí),，只要嚴(yán)格遵循“先關(guān)閥,，變頻器自由停車，延長(zhǎng)時(shí)間后再切換,；停車時(shí),，先開(kāi)機(jī)，后開(kāi)閥“,。這樣,，既可保證變頻器的安全運(yùn)行，又無(wú)“水錘”現(xiàn)象發(fā)生,。
