自來水廠變頻循環(huán)投切恒壓供水系統(tǒng)
一.前言
自來水廠的供水泵站中，供水系統(tǒng)一般由若干臺揚程相近的水泵組成，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行的臺數(shù)。如供水能力4-6萬噸/日的自來水廠，水泵的配置方案有多種，其中一種可行的方案是三臺160KW和一臺90KW水泵組成。系統(tǒng)工作時，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，這時需人工投入水泵，根據(jù)現(xiàn)場管網(wǎng)水壓情況由工人來決定投入160KW水泵還是90KW水泵；若供水量減小，管網(wǎng)水壓會升高，此時又需人工切除水泵。在深夜用水量較小時，為節(jié)能考慮用一臺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，投入泵應(yīng)遵循“先開機(jī)，后開閥”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，其本上能自動保證以上的操作程序，只是停機(jī)時止回閥關(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)時基本上也不存在”水錘“效應(yīng)。
二.變頻恒壓供水的控制方案
由于城市自來水的用量隨季節(jié)的變化而變化，隨每日時段不同而變化。為使供水的水壓恒定，較常見的辦法是采用變頻恒壓供水系統(tǒng)，即壓力變送器裝在主管網(wǎng)上檢測管網(wǎng)壓力信號，再將此壓力信號送到變頻器（PLC）的模擬信號輸入端口，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--軟起動器,PT—壓力變送器。由圖一可見，變頻器連接在第，一臺水泵電機(jī)上，需要加泵或減泵時，由變頻器RO1～RO3端口輸出信號起動或停止其他的水泵，這時水泵的起動采用自耦減壓起動裝置或軟起動器。這種方案的特點是水泵電機(jī)不需要在變頻和工頻之間切換；第，一臺水泵 連接在變頻器上，沒有切換過程中的失壓現(xiàn)象；由于變頻泵以外的泵都有軟起動器，所以不需要再做備用系統(tǒng)，當(dāng)變頻器故障時，可用軟起動器手動起動M2～M4水泵，保證供水不致中斷；每臺電機(jī)都有起動器，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 變頻恒壓供水循環(huán)投切方案系統(tǒng)圖
圖中：BP1—變頻器，BU1—軟啟動器，PT－壓力變送器，ZJ1、ZJ2－用于控制系統(tǒng)的起動/停止和自動/手動轉(zhuǎn)換。由圖二可見，變頻器連接在第，一臺水泵電機(jī)上，需要加泵時，變頻器停止運行，并由變頻器的輸出端口RO1～RO3輸出信號到PLC，由PLC控制切換過程。切換開始時，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，一臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第，二臺水泵上起動并運行，照此，將第，二臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第，三臺水泵上起動并運行；需要減泵時，系統(tǒng)將第，一臺水泵停止，第，二臺水泵停止，這時，變頻器連接在第，三臺水泵上。再需要加泵時，切換從第，三臺水泵開始循環(huán)。這種方式保證 有一臺水泵在變頻運行，四臺水泵中的任一臺都可能變頻運行。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，且各臺水泵運行的時間基本相同，給維護(hù)和檢修帶來方便，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，就是在只有一臺變頻器運行并切換到工頻過程中會造成管網(wǎng)短時失壓，在設(shè)計時應(yīng)充分的引起重視。另外，須設(shè)置一套備用系統(tǒng)，圖中的軟啟動器就是作為備用。當(dāng)變頻器或PLC故障時，可用軟起動器手動輪流起動各泵運行供水。
三.循環(huán)投切的工作過程
眾所周知，變頻器的輸出端不能連接電源，也不能運行中帶載脫閘，切換過程應(yīng)按以下的程序進(jìn)行。循環(huán)投切恒壓供水系統(tǒng)投入運行時，當(dāng)變頻器的輸出頻率已達(dá)到50Hz或52Hz時，能否將變頻器的上限頻率設(shè)為52Hz，取決于水泵電機(jī)運行在52Hz時是否超載。在50Hz頻率下運行60S管網(wǎng)水壓未達(dá)到給定值，此時，該臺水泵需切換到工頻運行。切換過程是：先關(guān)該臺水泵電動閥，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，而是延長時間一段時間，到電機(jī)中的殘余電壓下降到較小值，這個值保證電源電壓與殘余電壓不同相時造成的切換電流沖擊較小，在某水廠160KW水泵電機(jī)的切換時間為600ms。連接在電機(jī)工頻回路中的空氣開關(guān)容量為400A，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試切換過程的電流沖擊較小，每一次切換都比較的成功。關(guān)閥后停車，水泵電機(jī)基本上處于空載運轉(zhuǎn)，到600ms時電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降不是很多，使切換時電流沖擊較小。切換完成后，再打開電動閥；已停車的變頻器切換到另外的水泵上起動并運行，再開電動閥。切除工頻泵時，先關(guān)閥，后停車，這樣無“水錘“現(xiàn)象產(chǎn)生。這些操作都是由PLC控制自動完成。
實際上，電機(jī)的傳統(tǒng)起動方式也存在 的電流沖擊。對電機(jī)直接時，起動電流是額定電流的5～7倍，小功率的電機(jī)經(jīng)常采用直接起動方式。電機(jī)功率較大時，常用星—三角或自耦減壓起動器。自耦減壓起動器起動電機(jī)時，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%電壓時的速度，將60%的電壓切除后立即連接到99%(380V)電源上。切除60%電壓時，電機(jī)的速度較變頻器投到工頻時電機(jī)的速度要低，殘余電壓相對低一些，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，回路上的空氣開關(guān)容量一般都選得比較大。循環(huán)投切時，電機(jī)從變頻往工頻切換，只要切換的延長時間足夠，電機(jī)由變頻切換到工頻時的電流沖擊不大。一般殘余電壓的衰減時間為1—2秒，切換延長時間也不是越長越好，延長時間短，殘余電壓高，速度降落少；延長時間長，殘余電壓低，但速度降落大。選擇延長時間需二者兼顧，以求得較小的沖擊電流。如果要使切換過程無電流沖擊，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現(xiàn)，但考慮經(jīng)濟(jì)上是否合算。
四.循環(huán)投切對變頻器和電機(jī)的影響
將電機(jī)從變頻狀態(tài)切換到工頻狀態(tài)時，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，雖然在切換時仍有 的殘余電壓，但對變頻器影響已經(jīng)很小，對電機(jī)壽命也無多大的影響。自耦減壓起動器切換時，電機(jī)內(nèi)定子的殘余電壓無通路流通，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，因殘余電壓存在而形成的沖擊電流較大，對電機(jī)有 的影響，電機(jī)設(shè)計時已充分考慮了這些因素。
五.應(yīng)用實例
四川遂寧市自來水二廠，供水能力6萬噸/日，城市管網(wǎng)壓力0.4MPa，泵組為3臺160KW，1臺90KW水泵，要求恒壓供水并采用計算機(jī)監(jiān)控，變頻器或控制系統(tǒng)故障可由軟起動器手動起動各泵。
（1）計算機(jī)監(jiān)控內(nèi)容
管網(wǎng)壓力，流量，泵的運行狀態(tài)，閥啟閉狀態(tài)，電機(jī)溫度，各泵運行的電流，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)用一軟起動器和相關(guān)器件構(gòu)成。
圖三 計算機(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，實時顯示系統(tǒng)的運行狀況，并統(tǒng)計歷史數(shù)據(jù)，如需要可隨時打印報表；還用于故障的報警和處理。PC機(jī)為研華工業(yè)計算機(jī)，PLC為西門子S-7300,便于與總控室計算機(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系統(tǒng)的用電量。控制水泵的起/停，切換，閥的啟/閉；電機(jī)電流，溫度的檢測，水泵使用時間的統(tǒng)計；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 變頻恒壓供水電氣原理圖
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LG ABE403a 400A空氣開關(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，水泵電機(jī)從變頻狀態(tài)切換到工頻狀態(tài)，延長時間從300ms起，到500ms時電流表顯示也無明顯的沖擊，較后定為600ms.軟起動器設(shè)定為限流起動方式，設(shè)定為2.5倍。軟起動器起動時，起動電流接近800A,但在30S內(nèi)下降到額定電流以下，查600A熔斷器曲線,通過1000A電流在60S熔斷，所以軟起動器的熔斷器定為600A。該系統(tǒng)已經(jīng)投產(chǎn)兩年，每日供水4-5萬噸，運行良好。據(jù)廠家統(tǒng)計，電耗/噸減少20%.
六.結(jié)論：
多泵變頻恒壓供水系統(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，只要嚴(yán)格遵循“先關(guān)閥，變頻器自由停車，延長時間后再切換；停車時，先開機(jī)，后開閥“。這樣，既可保證變頻器的安全運行，又無“水錘”現(xiàn)象發(fā)生。
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