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关于变频泵恒压供水的运行工艺思考

时间:2020-07-08 22:49:50 来源:西北工匠PLC学习基地 点击:

作为我国工农业领域主要的耗电设备之一, 水泵被广泛应用于建筑、 城市给排水、石油化工、动力工业、火力发电、船舶工业以及冶金采矿等领域,其耗电量占全国总发电量的 20%左右。

目前,在建筑系统中,水泵与风机等输送设备的电力消耗约占我国城镇建筑运行电耗的10%以上。专家指出:在大型公共建筑供热空调电力消耗的实测中,水泵与风机的电力消耗约占60%~70%左右。目前水泵的最高效率一般能达到75%~85%,但是在运行过程中,大多数水泵的效率在30%~50%之间,比发达国家水泵运行效率要低很多,能耗浪费比较严重,运行效率有较大的提升空间。综上可见,水泵等设备的输送能耗占各供热空调系统总能耗比例较大,而且节能潜力巨大。

 

变频泵恒压供水是近年来应用十分广泛的一种节能方式,节能效果也十分明显。往往采用多泵并联的方式对外供水。但是,对于多台泵的运行方式,很多朋友还是不能很好的理解,这里我们来梳理一下。

 

一、关于泵的驱动

大多数时候,会设计三台泵并联供水,一般是两运一备。变频泵的驱动方式简单区分有两种,一对一驱动和一对多驱动。

 

1.一对多驱动

一对多驱动,也叫一变多定。现在的变频器中,尤其是风机水泵专用的变频器中,已经有专门用于多台泵联动的水泵控制卡,内置PID控制,只要按照厂家提供的接线图,做一些简单的设置,接入电接点压力表(或压力传感器)就可以实现恒压供水。这是一种简单省钱的方式。

另外一种一对多的方式是通过PLC控制变频器和接触器,相对于第一种方式,控制上更加灵活,选择性更大。由于PLC的价格近年来随着科技的进步逐年走低,甚至于低于变频器的扩展控制卡,而且对于变频器的选择更加广泛。所以,相比较第一种方式,应用更加广泛。

 

2.一对一驱动

一对多的驱动方式只是实现了水泵侧的多泵备用,但是如果驱动侧出现问题,还是会导致整个供水系统宕机。为了解决上述可能存在的缺陷,有些用户在建设时期选择了变频器加软起动的驱动方式,在变频器出现故障的时候,用软起动顶上去。但是这种方式的弊端就是不可调整,因此实际应用中已逐渐淘汰。

一台水泵一台变频器的驱动方式很好的解决了上述问题。

 

3.多对多驱动

多台变频器驱动多台泵,例如三拖三。有些客户为了所谓的系统安全型,选择了多对多的驱动方式,每一台变频器都能驱动任何一台泵,但是平时运行的时候还是一对一,多对多只是故障情况下的极端方式。

由于多对多增加了接触器的使用,增加了投资,也增加了故障点。一对一可以不要接触器,变频器直接连接在电动机上。二对二需要四个接触器,三对三需要九个接触器。大电流的接触器的费用也是很高的。由于这种方式增加了接触器的使用数量,给编程也带来了难度,实际应用中又很少使用到这种极端工况。因此,使用这种方式的用户也越来越少。

 

二、加减泵

多台泵并列供水运行,在用户的用水量变化较大的场合,简单的转速调节可能已经满足不了恒压控制需求,就需要对泵的数量进行加减。什么时候加泵,什么时候减泵,就是一个值得考虑的问题。

简单的来想象,加泵自然是一台泵升速运行至50Hz,持续一分钟,供水压力低于设定压力,增加一台泵。减泵自然是两台泵(多台泵)中的一台频率低于25Hz,停掉一台泵。这是大多数人的想当然的想法,实际生产中是不符合生产工艺的。

多台泵并联运行,要求泵的出口压力基本一致才能管道受力均衡,不至于出现管道喘振,因此,要求泵的运行频率基本一致。这就给我们带来一个问题,啥时候加泵,啥时候减泵。

 

三、关于水泵的知识点

我们大家都知道,水泵使用变频器会节能,但是关于水泵变频节能的具体知识点你又知道那些呢:

水泵的流量与转速成正比;
水泵的压力/扬程与转速的二次方成正比;
水泵的输出功率与转速的三次方成正比.
而水泵的转速与水泵电机的供电频率基本成正比.
因此,频率下降为一半时,输出功率变为(1/2)^3=1/8,水泵的压力和和扬程变为(1/2)^2=1/4。

我们来做一个计算如下:

从数据中可以看出,在35Hz附近,水泵的出水压力达到额定的一半,此时的功率消耗只有33%,随着频率的继续增加,消耗的功率大于所提升的压头。从数据中我们还可以得出一个结论,水泵是不适于超频运行的,即使机械上允许,增加的能耗超过了增加的压头的提升。

 

四、泵的运行效率

研究发现,多台同型号水泵并联工作的特性曲线计算表明,每增加一台是水泵所增加的水量并不相同,水泵并联越多,增加的水量就越少。

以一台水泵的工作流量为100,两台水泵并联的流量为190,比单泵工作增加了90%;三台水泵并联的总流量为251,比两台泵并联增加了61;四台泵并联的总流量为284,比三泵并联增加了33;五泵并联的总流量是300,仅比四泵并联增加16。由此可见,当水泵并联台数4-5台以上时,增加的流量很小,已经没有意义了。每台水泵的工况点,随着并联水泵台数的增多,面向扬程高的一侧移动。台数过多就可能时工况点移出高效段范围。所以,水量的增加与泵的台数的增加,要通过工况分析和计算决定,不能简单理解为增加水泵就能增加供水量。

 

五、切换时机的选择

在较大的供水系统中, 往往单台泵不能满足系统要求, 需要多台水泵并联或串联运行,以达到流量要求。由于多级泵的发展,水泵串联在工程实际中很少应用,多台水泵并联运行应用的则较多。

 

多台水泵并联运行,大部分的台数切换控制方式是这样的,以两台水泵并联运行为例:当负荷降低时,系统所需流量减少,则逐渐降低两台水泵的转速,调节系统流量,当流量减少到正好为单台水泵在额定工况下的流量时,在此转速下运行一段时间,然后关闭其中一台水泵,另一台水泵重新回到额定转速下运行。此切换方式没有考虑水泵变频在切换前后各性能参数的变化,也没考虑到切换之后水泵运行是否会更节能。对变频调速的水泵及其下限频率的确定算法,水泵的调速控制是节能的一种行之有效的方法,它可使水泵工况沿着管道特性曲线变化,尽可能的降低浪费掉的扬程,节省电能。

 

当两台以上水泵并联运行,需要调节流量时,目前采用“一变多定”或“全部同速变频”的方法。无论采用哪种方法,为保证变频泵的高效节能和运行安全,通常水泵的最小转速应不低于额定转速的50%,最好在70%~100%的范围内。

 

多泵并联QH图

 

根据上面的梳理分析,我们得出以下结论:

1、多泵并联运行对于同一套管道系统而言,有着台数的限制。基本上4-5台后增加的水量就很小了。

2、一变多定不如同速变频的调节效率高。

3、水泵的最佳工作频率段是70%~100%;50%是最低频率。

4、加泵的时机是运行泵的频率大于35Hz,持续1分钟后仍然不满足压力需求。增加一台泵,增加泵的频率与运行泵同频,接受同一个PID的控制。

5、减泵的时机是运行泵的频率低于35Hz,持续1分钟后管道压力仍然高于需要的压力,减掉一台泵。按照同等磨损原则,先投入的先退出。