水位、水泵的控制方式與節能的關系 |
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水位(水壓)控制的目的是為了保持水泵供水流量的穩定，實質是個保持物料的平衡問題。不管 采用什么調節、控制手段，最終結果反映的仍然是水泵的耗電。 dlr回帖中所說的連續調節和斷續調節是針對被控量的作用而言的，為便于區分，特把連續調節 和斷續調節分別更正為連續控制和斷續控制。因此樓主所說的啟�？刂�，應該是屬于有中間區的雙 位控制系統，雖然是用水泵的啟、停來控制水位，盡管其啟停頻繁，但在控制中肯定還是有個水位 的上、下限的。 為什么連續控制比斷續控制效果好，可從以下幾方面來看: 一．從控制的質量要求 雙位控制的過渡過程是斷續控制作用下的等幅振蕩過程。被控量水位總在上、下限之間振蕩， 如果設定的水位上、下限范圍越小，或者用水量越大，其振蕩頻率越高，則水泵的啟、停越頻繁， 對電網和機械的沖擊越大；這樣的控制系統水泵是斷續運轉的，對水位也是斷續控制的。 如果采用連續控制，則被控量水位是可以連續地被控制，由于反饋控制是按水位的偏差進行控 制，偏差是控制的依據，只要水位偏離給定值，系統就會產生控制作用，力圖消除偏差的存在，所 以其能將水位穩定在我們所要求的設定值上。也就是說變頻調速供水系統能夠通過PI控制功能，自 動地保持供水與用水之間的平衡。其控制精度高，水位波動小。這樣的控制系統水泵是連續運轉的, 對水位也是連續控制的。 二．從水泵的節能效果看 用得最普遍的是離心式水泵，離心式水泵屬于平方律負載。水泵最主要的參數是流量和揚程， 供水功率與流量和揚程的乘積成正比。我們先了解下揚程特性和管阻特性。揚程特性反應了用水流 量的大小對揚程的影響，即用水量越大，則供水系統的揚程將越��；水泵的轉速下降，其供水能力 也會下降，揚程特性將下移。而管阻特性就是為了在管路內得到一定的流量所需要的揚程；管阻特 性與管道粗細、長短，閥門開度有關。 通常對水泵的流量調節有閥門調節和調速調節兩種方式，我們來看看其是怎樣運行的。 1．變閥門調節: 啟動水泵后，觀察水泵出口的壓力，根據壓力表指示來開大或關小水泵出口閥門來調節流量， 而水泵的轉速則是保持不變的(即大多為電機的額定轉速)。其實質就是水泵本身的供水能力不變， 而是通過改變水路中的管阻大小來改變流量，以滿足用水量，這時管阻特性會變化，但揚程特性是 不變的。啟、�？刂凭褪菍儆陂y門控制的形式，只不過固定閥門開度后，而不常去調節閥門開度而 已。 2．變速度調節: 用變頻器對水泵進行調速，則是通過改變水泵的轉速來調節流量，而水泵出口閥門是全開的。 轉速調節是通過改變水泵的供水能力來適應生產對流量的需求，當水泵的轉速改變時，揚程特性將 會改變，而管阻特性是不變的。 比較以上兩種方式，在所需流量小于額定流量的情況下，轉速調節時的揚程將減小，而閥門調 節時的揚程將增大。轉速調節所需要的供水功率比閥門調節方式小得多，`因為此時水泵的效率幾乎 不變，流量隨轉速按一次方規律變化，而軸功率按三次方規律變化。即電動機的負載功率為: 這就是變頻調速供水有節能效果的原因。但這只是個理想公式，其并不能代表變頻調速的節能 效果有如此之好，原因是異步電動機在輕載時的效率與功率因數都較低。再者供水系統是由多個環 節組成的；還有就是變頻器的參數如果調整得不佳，仍會出現“大馬拉小車”的情況，這些問題對 節能效果都是有影響的。再者閥門調節和變頻調節時的空載功率也不可能完全一樣，只是其屬于共 有的, 所以我們可以將其忽略不進行比較而已。 三．常規計算法的節電對比 dlr設:水泵的軸功率 P1=10KW 帶水泵電機的效率 η1=0.95 變頻器的效率 ηb=0.98 1．變閥門調節的電耗估算: 按網友說水泵的起、停5－10分鐘一個周期，我們假設水泵一天累計運行8小時，則一年的運行 時間為2920小時。變閥門調節時，軸功率不變，則電機消耗的功率為: P=P1／η1=10／0.95=10.526KW 則變閥門調節一年的運行電耗為: 2920×10.526=30735.92KW 2.變速調節的電耗估算: 使用變頻調速，由于是連續運行，所以其工作時間為8760小時，由于系連續供水，其供水流量 只需要原來的1/3就可滿足使用要求，故水泵轉速在33%以下的時間居多，考慮到各因素影響，計算 時采用供水流量為35%。在起泵初期及運行中突遇大量用水，水泵全速供水仍會占一定比例，我們這 樣來估算，100%流量供水占總運行時間的20%, 35%流量供水占總運行時間的80%。則可以這樣估算: 則變速調節一年的運行電耗為: 8760×1×(10.741×0.2+0.460×0.8)=22041.9KW 因此10KW的電機，變速調節方式比變閥門調節方式可節約的年運行電耗為: 30735.92-22041.9=8694KW 有文獻介紹，在節能計算比較時，建議采用曲線擬合的計算方法，這樣比常規計算法，更能得 到符合實際的結果。 水泵大多在20Hz狀態下運行能供出水嗎?答案是肯定可以的。因為dlr在實施10T/h鍋爐項目中， 為了安全曾將給水泵變頻器的下限頻率設為10Hz，但在用汽負荷很小時，水位投自控時，當調節器 已無輸出，但水泵由于有10Hz的頻率，仍在慢慢轉動向鍋爐供水，嚴重時可使水位達到100%以上。 四．從機械性能來比較 變閥門調節，電機的起動是全壓起動，這樣對電網的影響就大。起動時水泵由于加速過快，會 產生“水錘效應”；而在停機時由于停機過快會產生“空化現象”。這樣將造成供水系統及管路振 動大、噪音也大，由于水泵是全速運轉，故機械磨損也大。 而采用變速調節時，則可對水泵進行軟起動和軟停車，可做到起動平穩，起動電流可控制在電 機的額定電流以內，減少了起動時對電網的沖擊，同時調節水量容易，還節約電能；停機時還可減 少水錘效應的沖擊，以減少沖擊力對管道及水泵的損害，提高了供水系統的安全性。由于調速運行 還可以降低水泵的機械磨損及噪音，可延長設備的使用壽命，減少了維修工作量和費用。 五．要從使用現場的具體情況出發 水位控制的目的是為了保持供水流量的穩定，所以用什么樣的控制系統，采用什么形式的流量 調節手段，應該說與使用現場的工況有很大的關系，與被控對象的特性有很大的關系，我們在這兒 泛泛的談調節問題、控制問題、節能問題，只是談一些基本的原理及方法，但其與實際應用是有很 大差別的。 針對水泵液位控制系統，什么場合要用變頻器(或電動、氣動調節閥)來進行連續控制?什么場合 要采用對水泵的啟、�？刂�?都應該按生產的需求來選擇控制方案。常見的大致有: 1．如果水泵一直是處于滿負荷運行的，來談節能是不可能的，只有當用水的實際流量小于額定 流量(100%)時，變頻器才有用處，這時轉速的變化(下降)才會有節能效益。對于這樣的工況唯一能 做的就是選用軟起動器來控制電機的啟動電流及減少沖擊。 2．一般供水系統都具有緩沖裝置(如水箱、水槽等)來穩定用水流量的波動，因此就有對水位的 檢測問題，這才有了水位的控制需求。對于容積較大的設備，液位就相對較穩定，如:一個水塔抽一 次水就可以供應用水數小時，一天才需要抽幾次水，這樣的系統采用斷續控制就可達到目的了，只 需用液位傳感控制器，來控制水泵的啟、停。為了減少啟動電流及克服水錘效應，選臺軟啟動器更 好；變頻器在這兒發揮不了作用。 對于1、2兩種情況由于水泵是全壓、全速的運轉，水泵的機械磨損及噪音就大。 3．對需要連續供水的場合，如鍋爐汽包水位，自來水或小區供水等場合。這樣的系統水泵幾乎 是一直運行的，為保持水位的穩定，應選擇連續供水的水位(水壓)的PID控制系統。從節能出發，最 好的方法就是采用變頻調速了。 所以說選擇什么控制方式，并沒有一個固定的模式，只要根據現場的具體情況，進行分析比較 就可以選擇出最符合實際的控制方案來實施。 六．結論 通過以上討論，dlr認為: 1．如果水泵運行時間長，則選擇連續運行控制的變頻調速是可以節省電能的。甚至可降低維修 費用。象樓主的水泵起、停5－10分鐘一個周期，這樣的系統應該說起、停還是算比較頻繁的了，因 此選擇變頻器來進行連續控制效果是會很好的。 2．如果水泵運行時間很短，而水泵停機時間又較長時，則沒有必要選擇變頻調速(電動、氣動 調節閥)來進行連續控制。但可考慮用軟起動器來解決水泵電機的起動問題，以減少起動電流對電網 的沖擊，對防止水錘、汽化效應是有好處的。 3．對于用電動(氣動)調節閥來控制水位的系統，仍然是屬于變閥門調節方法。對這樣的系統可 采用變頻調速來控制供水母管的壓力，也是可以節能的。
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