上药集团恒压供水应用案例

一、前言：

随着我国经济的高速发展，能源（水、电、油）消耗在企事业单位生产成本中所占的比重越来越高，如何有效地降低企业的生产成本，开发企业的第二利润中心，愈来愈受到企事业的重视。

根据流体力学原理，水泵的流量与电机转速成正比，压力与电机转速的平方成正比，变频恒压供水设备由风、泵类专用型交流变频调速器、PLC可编程控制器、远传压力传感器，PID调节控制器，调节阀门、泵组等构成。　

根据不同的需要，可采取恒压控制、恒流量控制等多种闭环自动控制方法。风机水泵采用变频调速技术后，节能效果比传统调压调流方式可节电40%~50%，节约用水约8%。

二、系统改造方案：

　　            上海新先锋制药厂降温水循环泵恒压供水系统的改造，共有4台90KW电机，分为两组，两组由不同供电线路供电，且任一时间段内只有一路供电。现根据其工作特点，无论冬夏，开启两台水泵完全满足生产需要的现状，改造方案为将四台水泵中的两台由变频器作一开一备控制模式，另两台保留原电路，但启停也由变频控制系统操作，具有自动/手动操作模式。

改造后系统集变频调速技术、PLC技术、PID控制技术，压力传感技术等为一体，依据供水压力组成闭环自动控制系统。通过安装在供水管网上的高灵敏度压力传感器来检测供水管网在用水量变化时的压力变化，不断向微电脑传输变化的压力信号，经微电脑运算并与设定的压力比较后，自动调节供水量，保证供水管网压力恒定，以满足循环给水的需要。用户根据实际工况需要，随时调整管网设定压力，设定值确认后，系统将自动跟踪调整至设定的供水压力值。当用水量增加，变频器输出频率增加，直至增加到额定频率，此时若水压力仍达不到设定压力，在一定时间延时后，系统自动启动一台工频泵，以保证压力动态平衡；反之，当用水量减少，变频器输出频率减少，直至减少到最低频率，此时若水压力仍高于设定压力，在一定时间延时后，系统自动停止一台工频泵，从而使系统实行自动控制。

将变频技术应用于降温水循环系统，对提升降温水循环自动化水平、降低能耗、减少对电网的冲击、延长机械及管网的使用寿命，都具有重要的意义。

三、 系统原理：

         降温水循环系统由循环水池、循环泵、工艺管路、降温设备及使用设备组成，降温循环水由循环水池进入循环泵，由泵体打入循环系统给工艺设备降温，再回流到降温循环水池，其中的压力由循环泵出口阀门开度控制，外管道上有压力变送器，将压力信号传送给DCS工控系统，在操作间内的工控机上显示运行压力，并提醒操作人员进行相应的控制。
         由于设备的使用情况不稳定，压力值一直不稳定，操作人员只能根据压力情况及降温循环水使用情况调节出口阀门，并开启回流阀门，进行压力控制；不但控制精度很低，操作的难度也很大，由于实际使用流量不稳定，经常出现管道降温水的压力异常，引起管路故障及降温水泄漏，使得工作的强度较高。鉴于以上情况，决定改造控制系统，以改进以上的情况。
         由于原来的压力信号一直存在，只是在工控机上显示，没有参与控制，而阀门控制既不方便，精度低、浪费大；参考现在流行的恒压供水控制系统，将降温水循环系统改为恒压供水系统是个不错的选择。改造只是在原来的泵电机组之外，再增加一套变频控制系统及传感器，将管道压力串连至HDBP-90变频恒压控制柜上，由变频器直接控制，即可解决问题。

四、节能效果计算：

1、恒压供水控制水泵设计及控制方法：

恒压供水系统主要组成是变频器、压力传感器和循环水泵，而风机水泵类机械性能曲线如图1，其流量与转速成正比，转速-力矩特性为二次方递减力矩，所需要的轴功率与转速的三次方成正比。即：

     q∝n,    h∝n2 ，   p∝n3

q:流量，  h:扬程，  p:轴功率，  n：转速

数学关系式为：p=0.163·q·h/ηp（kW）        

其中：p：轴功率，q：流量，h：扬程，ηp： 泵效率

传统的方法是电机转速恒定不变，使用阀门的开启度（增大或减小管阻）实现流量控制（俗称憋泵），其扬程-流量特性见图2，例如需要额定流量的100%、80%、40%流量时，使用阀门调节的方法其工作点对应图中A、B、C点。这样造成供水管网压力不稳，工作效率低、启动电流大、工作噪声大、电能耗量大等特点。 

2、采用变频调速控制方法：

采用变频调速控制时，设定供水压力，根据用水量的大小，变频器改变输出频率，使电机的运转速度保证供水量，从而使供水系统工作压力维持动态平衡，见图2，其工作点对应A、D、E。而对应的阀门控制和速度控制对应的数学关系如下：

Pm=q·h/(η/η0)      工作点的轴功率

PIN（V）=Pm/ηm           阀门控制时消耗的电功率

PIN（I）=Pm/(η1m·ηINV )  速度控制时消耗的电功率

P0=0.163·Q0·H0/η0      额定工作点的轴功率

这里：ηINV：变频器效率，η1m：变频器拖动对应工作点电机效率，ηm：工频拖动对应工作点电机效率

例如：电机功率P=15KW，效率η0=0.9，电压U=380V,电流I=29.4A,转速N=1440rpm,极数pole=4；Y132S2-2型水泵，流量Q=107m3/h=1.87m3/min,扬程H=32m,泵效率ηpump=0.65，泵性能曲线如图1，泵的扬程-流量特性曲线如图2，可计算得表1泵的不同工作点与轴功率及表2泵不同工作点消耗电能比较：

 表1 泵不同工作点与轴功率：

表2  泵不同工作点消耗电能比较：

由表1和表2可知，水泵电机消耗的电功率与频率的三次方成正比，在保证压力恒定的情况下, 降低电机的工作频率, 可有明显的节能效果：

(1)流量为额定流量的80%时，变频控制比阀门控制节能为：

13.8/14.3-10.0/14.3=26.6%

(2)流量为额定流量的40%时，变频控制比阀门控制节能为：

11.1/14.3-4.00/14.3=49.6%

据统计一年中水泵电机负载率在50%以下的时间占总运行时间的50%以上，因而变频控制系统节能效果明显。

其具有的特点如下：

1、高效节能：可以实现节电30%以上（依据实际工况），能实现绿色用电，变频恒压供水能自动维持恒定压力，供水质量好，与传统供水比较，不会造成管网破裂及共振现象。
2、功能齐全：可实现自动控制，配置灵活，运行可靠，具有欠压、过压、过流、过热等保护功能，并且可根据用户需要，选择各种附加功能。
3、寿命延长：由于是软启动，软停止，无极变速，不但可消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减少了设备维护量和维修费用，且设备的使用寿命大大延长。
4、运行合理：由于变频调速控制系统是通过压力自动调节，可以实现无人值守，节约了人力物力。

五、具体系统控制说明：

          原降温水管道上取得的压力信号传递到DCS工控系统以后，现场旁边增加一套HDBP-90变频恒压控制系统，系统输入由模拟压力信号及变频器故障输入信号组成，模拟信号再输入到压力调节器参与计算及控制，故障信号输入到PLC上产生报警，提醒操作人员及时进行相应的操作。模拟量输出信号采用模拟电流4-20mA信号，可以有效的防止信号的线路干扰；模拟信号传输到变频器模拟量输入端子，控制变频器输出频率。由于泵的启动及停止操作最好在室内操作室，因此启停控制全部由HDBP-90变频恒压控制系统控制按钮来实现，控制变频器的启动和停止。变频器选用日本原装进口明电舍VT230SE-090HA变频器，可编程器采用三菱PLC，其它元器全部采用施耐德进口器，保证了系统长时间的正常运行。