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水位、水泵的控制方式与节能的关系

[作者:yc  时间:2015/9/21 15:00:15  阅读:818次]

水位(水压)控制的目的是为了保持水泵供水流量的稳定,实质是个保持物料的平衡问题。不管
采用什么调节、控制手段,最终结果反映的仍然是水泵的耗电。
   dlr回帖中所说的连续调节和断续调节是针对被控量的作用而言的,为便于区分,特把连续调节
和断续调节分别更正为连续控制和断续控制。因此楼主所说的启停控制,应该是属于有中间区的双
位控制系统,虽然是用水泵的启、停来控制水位,尽管其启停频繁,但在控制中肯定还是有个水位
的上、下限的。

   为什么连续控制比断续控制效果好,可从以下几方面来看:
   一.从控制的质量要求
   双位控制的过渡过程是断续控制作用下的等幅振荡过程。被控量水位总在上、下限之间振荡,
如果设定的水位上、下限范围越小,或者用水量越大,其振荡频率越高,则水泵的启、停越频繁,
对电网和机械的冲击越大;这样的控制系统水泵是断续运转的,对水位也是断续控制的。
   如果采用连续控制,则被控量水位是可以连续地被控制,由于反馈控制是按水位的偏差进行控
制,偏差是控制的依据,只要水位偏离给定值,系统就会产生控制作用,力图消除偏差的存在,所
以其能将水位稳定在我们所要求的设定值上。也就是说变频调速供水系统能够通过PI控制功能,自
动地保持供水与用水之间的平衡。其控制精度高,水位波动小。这样的控制系统水泵是连续运转的, 
对水位也是连续控制的。

   二.从水泵的节能效果看
   用得最普遍的是离心式水泵,离心式水泵属于平方律负载。水泵最主要的参数是流量和扬程,
供水功率与流量和扬程的乘积成正比。我们先了解下扬程特性和管阻特性。扬程特性反应了用水流
量的大小对扬程的影响,即用水量越大,则供水系统的扬程将越小;水泵的转速下降,其供水能力
也会下降,扬程特性将下移。而管阻特性就是为了在管路内得到一定的流量所需要的扬程;管阻特
性与管道粗细、长短,阀门开度有关。
   通常对水泵的流量调节有阀门调节和调速调节两种方式,我们来看看其是怎样运行的。
   1.变阀门调节:
   启动水泵后,观察水泵出口的压力,根据压力表指示来开大或关小水泵出口阀门来调节流量,
而水泵的转速则是保持不变的(即大多为电机的额定转速)。其实质就是水泵本身的供水能力不变,
而是通过改变水路中的管阻大小来改变流量,以满足用水量,这时管阻特性会变化,但扬程特性是
不变的。启、停控制就是属于阀门控制的形式,只不过固定阀门开度后,而不常去调节阀门开度而
已。 
   2.变速度调节:
   用变频器对水泵进行调速,则是通过改变水泵的转速来调节流量,而水泵出口阀门是全开的。
转速调节是通过改变水泵的供水能力来适应生产对流量的需求,当水泵的转速改变时,扬程特性将
会改变,而管阻特性是不变的。
   比较以上两种方式,在所需流量小于额定流量的情况下,转速调节时的扬程将减小,而阀门调
节时的扬程将增大。转速调节所需要的供水功率比阀门调节方式小得多,`因为此时水泵的效率几乎
不变,流量随转速按一次方规律变化,而轴功率按三次方规律变化。即电动机的负载功率为: 

这就是变频调速供水有节能效果的原因。但这只是个理想公式,其并不能代表变频调速的节能
效果有如此之好,原因是异步电动机在轻载时的效率与功率因数都较低。再者供水系统是由多个环
节组成的;还有就是变频器的参数如果调整得不佳,仍会出现“大马拉小车”的情况,这些问题对
节能效果都是有影响的。再者阀门调节和变频调节时的空载功率也不可能完全一样,只是其属于共
有的, 所以我们可以将其忽略不进行比较而已。

   三.常规计算法的节电对比
   dlr设:水泵的轴功率       P1=10KW
         带水泵电机的效率  η1=0.95
         变频器的效率      ηb=0.98 
   1.变阀门调节的电耗估算:
   按网友说水泵的起、停5-10分钟一个周期,我们假设水泵一天累计运行8小时,则一年的运行
时间为2920小时。变阀门调节时,轴功率不变,则电机消耗的功率为:
   P=P1/η1=10/0.95=10.526KW
   则变阀门调节一年的运行电耗为:
   2920×10.526=30735.92KW
   2.变速调节的电耗估算:
   使用变频调速,由于是连续运行,所以其工作时间为8760小时,由于系连续供水,其供水流量
只需要原来的1/3就可满足使用要求,故水泵转速在33%以下的时间居多,考虑到各因素影响,计算
时采用供水流量为35%。在起泵初期及运行中突遇大量用水,水泵全速供水仍会占一定比例,我们这
样来估算,100%流量供水占总运行时间的20%, 35%流量供水占总运行时间的80%。则可以这样估算:

则变速调节一年的运行电耗为:
   8760×1×(10.741×0.2+0.460×0.8)=22041.9KW
   因此10KW的电机,变速调节方式比变阀门调节方式可节约的年运行电耗为:
   30735.92-22041.9=8694KW
   有文献介绍,在节能计算比较时,建议采用曲线拟合的计算方法,这样比常规计算法,更能得
到符合实际的结果。
   水泵大多在20Hz状态下运行能供出水吗?答案是肯定可以的。因为dlr在实施10T/h锅炉项目中,
为了安全曾将给水泵变频器的下限频率设为10Hz,但在用汽负荷很小时,水位投自控时,当调节器
已无输出,但水泵由于有10Hz的频率,仍在慢慢转动向锅炉供水,严重时可使水位达到100%以上。

    四.从机械性能来比较
    变阀门调节,电机的起动是全压起动,这样对电网的影响就大。起动时水泵由于加速过快,会
产生“水锤效应”;而在停机时由于停机过快会产生“空化现象”。这样将造成供水系统及管路振
动大、噪音也大,由于水泵是全速运转,故机械磨损也大。
    而采用变速调节时,则可对水泵进行软起动和软停车,可做到起动平稳,起动电流可控制在电
机的额定电流以内,减少了起动时对电网的冲击,同时调节水量容易,还节约电能;停机时还可减
少水锤效应的冲击,以减少冲击力对管道及水泵的损害,提高了供水系统的安全性。由于调速运行
还可以降低水泵的机械磨损及噪音,可延长设备的使用寿命,减少了维修工作量和费用。

    五.要从使用现场的具体情况出发
    水位控制的目的是为了保持供水流量的稳定,所以用什么样的控制系统,采用什么形式的流量
调节手段,应该说与使用现场的工况有很大的关系,与被控对象的特性有很大的关系,我们在这儿
泛泛的谈调节问题、控制问题、节能问题,只是谈一些基本的原理及方法,但其与实际应用是有很
大差别的。
   针对水泵液位控制系统,什么场合要用变频器(或电动、气动调节阀)来进行连续控制?什么场合
要采用对水泵的启、停控制?都应该按生产的需求来选择控制方案。常见的大致有:
   1.如果水泵一直是处于满负荷运行的,来谈节能是不可能的,只有当用水的实际流量小于额定
流量(100%)时,变频器才有用处,这时转速的变化(下降)才会有节能效益。对于这样的工况唯一能
做的就是选用软起动器来控制电机的启动电流及减少冲击。
   2.一般供水系统都具有缓冲装置(如水箱、水槽等)来稳定用水流量的波动,因此就有对水位的
检测问题,这才有了水位的控制需求。对于容积较大的设备,液位就相对较稳定,如:一个水塔抽一
次水就可以供应用水数小时,一天才需要抽几次水,这样的系统采用断续控制就可达到目的了,只
需用液位传感控制器,来控制水泵的启、停。为了减少启动电流及克服水锤效应,选台软启动器更
好;变频器在这儿发挥不了作用。
   对于1、2两种情况由于水泵是全压、全速的运转,水泵的机械磨损及噪音就大。
   3.对需要连续供水的场合,如锅炉汽包水位,自来水或小区供水等场合。这样的系统水泵几乎
是一直运行的,为保持水位的稳定,应选择连续供水的水位(水压)的PID控制系统。从节能出发,最
好的方法就是采用变频调速了。 
   所以说选择什么控制方式,并没有一个固定的模式,只要根据现场的具体情况,进行分析比较
就可以选择出最符合实际的控制方案来实施。

   六.结论
   通过以上讨论,dlr认为:
   1.如果水泵运行时间长,则选择连续运行控制的变频调速是可以节省电能的。甚至可降低维修
费用。象楼主的水泵起、停5-10分钟一个周期,这样的系统应该说起、停还是算比较频繁的了,因
此选择变频器来进行连续控制效果是会很好的。
   2.如果水泵运行时间很短,而水泵停机时间又较长时,则没有必要选择变频调速(电动、气动
调节阀)来进行连续控制。但可考虑用软起动器来解决水泵电机的起动问题,以减少起动电流对电网
的冲击,对防止水锤、汽化效应是有好处的。
   3.对于用电动(气动)调节阀来控制水位的系统,仍然是属于变阀门调节方法。对这样的系统可
采用变频调速来控制供水母管的压力,也是可以节能的。
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