变频调速在自来水加压泵站控制系统中的应用技术研究

 

　　变频调速控制作为自来水加压泵站运行控制系统发展的主流趋势，不仅可以确保用户用水的正常，同时也可以大幅降低自来水加压泵站运转阶段的能耗，实现自来水加压泵站运转控制的自动化与智能化。针对变频调速在自来水加压泵站控制系统中的应用，首先概述了变频恒压供水系统技术特点及其优势，进而分析了变频调速控制系统的结构、控制原理以及基本组成，并结合工程应用实例，详细分析了变频调速在自来水加压泵站控制系统中应用的实际效果。

　　自来水加压泵站作为工农业以及居民生活用水的重要基础设施，也是确保工农业生活生产用水正常的基础条件。由于我国生产生活用水量巨大以及部分自来水加压泵站设备的工作效率较低，因此导致自来水加压泵站在运转过程中会消耗大量的电能。对自来水加压泵站水泵机组进行调速运转控制，已经成为提高自来水加压泵站设备工作效率，降低自来水加压泵站供水能耗的关键措施。当前，对于自来水加压泵站机组调速运行最为先进、最为有效的技术就是变频调速技术，变频调速技术的实质就是通过将变频调速器、压力流量传感器、控制器、水泵机组以及自来水加压泵站管网组成联动的供水系统，按照用水量、压力值传感器的反馈信号，通过对变频器频率的控制，改变自来水加压泵站水泵机组的转速，进而实现自来水加压泵站机组的经济运行。因此，变频调速技术不仅可以降低自来水加压泵站机组设备运行的能耗，同时对于提高自来水加压泵站管网设备的使用寿命，确保自来水加压泵站管网供水系统的正常运转也具有重要的作用。

 

1、自来水加压泵站变频调速控制技术概述

　　当前在自来水加压泵站变频调速控制技术中，主要采取变频调速恒压供水技术，其技术原理为自来水加压泵站变频调速供水系统结合自来水加压泵站用水量的变化情况，通过智能化、自动化的控制系统对变频器的输出频率进行改变，实现对自来水加压泵站机组水泵转速的调节，进而确保自来水加压泵站的供水水压与用户水压的平衡，最终实现自来水加压泵站供水管网整体水压的闭环调节。变频调速技术其实质就是通过在相应的管网压力传感信号输入的状态下，通过自动调节变频器的输出频率，达到改变自来水加压泵站水泵电机转速以及供水量的目的，进而在满足对于水压以及用水量要求的前提下，降低单位供水量的能耗。自来水加压泵站变频恒压供水的技术优势主要表现在以下几方面。

　　1）自来水加压泵站采取变频调速控制可以提高对于自来水加压泵站系统运转的精准控制。通过变频调速系统，在用水量或者是水压发生变化的情况下，通过计算机对这些变化进行自动的检测，并按照检测信息调整自来水加压泵站水泵机组的工作状况，进而确保自来水加压泵站水泵处于高效的运行状态。根据相关研究资料表明，变频恒压供水可以将供水压力控制在20 kPa以内，变频调速的控制精准度非常高。

　　2）变频调速控制系统有助于保护自来水加压泵站的供水设备。由于利用变频调速控制能够实现水泵的软启动，自来水加压泵站水泵的启动电流以及启动能耗大幅降低，同时水泵电机的供电容量也得以降低。因此，这就可以有效的避免水泵机组启动以及运转过程中的机械冲击以及运行磨损，此外由于采取变频调速控制管理，因此能够避免水泵在切换时出现的震荡现象，对于延长自来水加压泵站机组设备使用寿命具有重要作用。

　　3）可以有效的节约自来水加压泵站机组设备运行的能耗。通过变频调速控制，水泵的工作状态是随着用户用水量以及用水压力的变化自动的调节转速，水泵也是一直处于变频的工作状态。因而相比传统的恒速水泵而言，设备运转期间的电能消耗也随之降低，因而可以提高自来水加压泵站水泵运行的经济效益。

　　4）变频调速控制系统的适用性较强。针对当前自来水加压泵站供水单位中高层建筑用户不断增多的问题，变频调速控制系统可以在不改变供水需求的前提下，通过改变变频调速供水系统压力值以及流量参数，既可以完成对供水压力以及流量的调整。由于对于用户用水量的变化具有非常强的适应性，因此变频调速控制系统的适用性也相对较强。

 

2、自来水加压泵站变频调速控制系统技术分析

2.1 变频调速控制系统的结构

　　变频调速控制系统主要是由控制系统、自来水加压泵站水泵机组、变频控制器、压力传感器以及逻辑控制电路等几部分组成。其中控制器是整个变频调速控制系统的核心部件，主要负责将压力传感器输送的信号按照一定的算法得出最优化的系统运行控制参数，并将控制参数转变为变频器的频率信号。电机水泵机组则是自来水加压泵站传送水的机电装置，通过电机按照一定的压力以及流量将水沿供水管道输送到用户处，同时根据用户用水情况调整工频运行或者是变频状态运行。变频器则主要是由电力电子器件以及微处理器组成，通过在控制器控制频率设定的输入信号下，输出与之对应频率的交流电，进而起到控制自来水加压泵站电机水泵机组转速的目的。压力传感器则主要是作为供水系统中的测量元件，将供水管道内的水压转换为模拟信号输入控制系统之中。继电器则是对自来水加压泵站水泵机组的工作状态进行调整，对自来水加压泵站水泵机组的工作的工频或者是变频状态进行切换。

 

2.2 变频调速控制系统控制原理

　　现阶段对于变频调速控制系统的控制一般是根据用户用水量的大小对水泵的运行方式进行变频调速控制。其具体控制原理如下所示：如果用户的用水量L小于额定供水量Le，则自来水加压泵站水泵机组中的部分水泵一直处于变频运转方式，另外一部分水泵机组则处于停机状态，此时供水量为Lf，是可以随时根据用户用水量的变化进行调整从而确保供水压力的稳定。如果自来水加压泵站在运转过程中用户的用水量L超过额定供水量Le，则此时可以将自来水加压泵站水泵电机由变频运行方式切换为全部工频运行方式，确保供水量的充足。系统控制的基本原理为：当L≤Le时，自来水加压泵站多机组种部分机组停机，部分机组变频运行；当L≥Le时，自来水加压泵站多机组处于工频运行与变频运行两种状态。通过利用控制器按照这种计算方式对自来水加压泵站供水方式进行调整，确保实现恒压变流量供水，既可以满足用户的需求同时又可以有效的节约资源。2.3 变频调速系统的组成

　　1）变频调速控制系统控制器的选择。对于变频调速控制系统的控制器可以选择使用PLC、PC或者是单片机。PLC控制器主要由CPU、信号模板、通讯处理模块以及功能模块组成，PLC控制优点是开发费用低，开发周期短，在很短的时间内就能投入使用；缺点是控制功能简单，造价稍高。PC控制器的特点在于软件资源丰富，系统的硬件配置水平较高，而且后期功能扩展也较为方便，但是工程造价高，而且占用空间也较大。单片机的特点是可靠性较好，控制功能丰富，逻辑功能以及运行速度较高，而且价格也相对较为便宜。因此，在变频调速控制系统中大多采用单片机作为控制器。

　　2）数字信号输入端。为了实现自来水加压泵站供水系统变频调速控制，在供水过程中应该将各种数据信号传输给控制器进行计算处理，以便于输出控制信号。对于变频调速控制系统而言，输入信号就是供水系统中不同位置的水压情况。对于供水压力信号的采集以及变送一般选择使用差压变速器完成，通过差压变速器可以准确的测量压力、流量、液位以及比重等物理量，并将这些物理量转变为可以识别的数字信号输出。

　　3）信号输出通道。对于变频调速控制系统而言，信号输出通道主要输出对自来水加压泵站水泵电机起停以及电机转速控制的信号。对于自来水加压泵站水泵电机转速的控制主要是将运算处理的数字信号通过转换器转换为变频器的给定频率进行调节。对于自来水加压泵站水泵电机的起停，则主要是通过开关量控制信号控制继电器，通过继电器放大后对接触器开关进行控制。

　　4）转换器。转换器分为A/D转换器以及D/A转换器两种形式，使用转换器的目的主要是对不同的信号模式进行转换。A/D转换器主要是为了将自来水加压泵站变频调速控制系统中的压力传感器模拟信号转换为控制器能够识别的数字信号，D/A转换器则是为了将控制器输出的数字信号转换为能够控制变频器输出频率的电压信号。对于转换器的选择，重点要选择精度高、分辨率好以及转换特性较好的转换器。

 

3、变频调速控制系统应用实例

3.1 自来水加压泵站基本情况及系统概述

　　耿井自来水加压泵站承担东营市西部城区的主要供水任务，日设计供水量为20万吨，并于近期完成了泵房水泵机电设备的变频改造，其中主泵房的水泵电机功率为560 kW，分别由两台6 kV/560 kW变频器进行控制。对水泵自来水加压泵站进行变频技术改造的基本目的是在阀门完全开放的前提下，通过变频器的输出频率对自来水加压泵站水泵电机转速进行调整以便于达到改变供水量的目的，改变了传统的依靠阀门开度来调节自来水加压泵站供水量的方式。同时依靠变频调解控制缓解自来水加压泵站启停对于供水管网的冲击，确保自来水加压泵站供水管网水压以及供水量的恒定。

　　机组：

　　1）水泵：四台，型号：24SH-13、额定流量：3168 m3/h、额定扬程：47.4 m、额定轴功率：550 kW、额定效率：88%、额定转速：970 rpm。

　　2）电机：型号：Y4503-6、额定功率：560kW、额定电压：6 kV、额定频率：50 Hz、额定电流：63.17 A、额定功率因数：0.894、额定转速：991 rpm。

　　3）变频器：变频器采用HARSVERT-A06/076变频器，变频器主要的技术性能指标如下所示：变频器容量790 kVA、额定输出电流76 A、输入频率45 Hz到55 Hz、额定输入电压6000 V、允许电压波动±10%、输入功率因数≥0.96（大于20%负载时）、输出频率范围0 Hz到50 Hz（即：调速范围0～100%）、变频器效率≥96%、输出频率分辨率0.01 Hz，无级调速、过载能力120%一分钟，150%立即保护。

 

3.2 变频调速控制的具体技术控制要求

　　1）变频调速控制系统的基本控制。首先变频调速控制系统需要配置工频旁路，通过设置工频旁路确保水泵机组既可变频调速运行，也可以直接投入工频运行。其次，另外设置系统运转保护，当变频调速控制系统局部单元故障时，不停机继续运行，以保障供水的持续性。此外，系统还专门配置了阀门联动功能，实现开停泵全过程的全部自动化。

　　2）变频调速控制系统阀门真空度的检测。在自来水加压泵站水泵启动之前，为了确保水泵机组的正常启动，必须保证水泵泵腔处于真空的状态，因此，变频调速控制系统在水泵启动之前会对泵腔的真空度值进行确定。如果泵腔的真空度值不满足要求，变频器则会自动报警并停止水泵的启动工作。

　　3）管网阀门过力矩报警。在自来水加压泵站运转过程中，由于操作的原因或者是机械电器的原因，会出现阀门打开过度或关闭过度问题，也就是阀门过力矩，对于变频调速控制系统在运行过程中，一旦出现阀门过力矩的问题，则会自动向变频器报警，进而采取措施进行处理。

　　4）水泵电机温度的报警。通过在变频器的模拟输入通道参数设定中设置超温报警、过热跳闸保护、电机冷风机启动以及电机冷风机关闭的临界温度值，可以实现变频调速控制对于电机的温度监测和自动保护功能。

 

3.3 变频调速控制系统的实际运行效果分析

　　1）简化了操作与观察。通过对自来水加压泵站进行变频技术改造之后，对于自来水加压泵站运行过程中的各种参数例如自来水加压泵站电机的运行频率、变频器输入以及输出端的电压电流、自来水加压泵站开环或者是闭环运行状态以及自来水加压泵站管网水压等一系列的参数，都可以通过数字化的显示屏直观的了解，方便了对于自来水加压泵站供水系统运行的观察控制。

　　2）自来水加压泵站水泵启停的自动化控制。在进行变频技术改造中将开阀的最小水压设定为0.48 MPa，这样对于自来水加压泵站水泵电机的开泵以及停泵控制，无需值班人员进行人工的操作，不仅可以避免操作失误问题的发生，同时由于变频器的启停较为平稳，避免对于管网造成冲击。

　　3）自来水加压泵站供水全过程的恒压控制。对于自来水加压泵站的两台机组，控制模式为一组机组处于开环控制的模式，一组机组处于闭环控制的模式，因此即使用户的用水量需求发生变化，只需要匹配机组变频器的运行频率，仍然能够确保水压的持续稳定。

　　4）明显的节能效果，在通过对自来水加压泵站水泵机组进行变频调速控制技术改造之后，用电量明显下降，自来水加压泵站工作成本显着降低，在节能方面具有非常显着的效果。

 

4、 结束语

　　变频调速技术作为先进的电子技术，不仅可以有效的降低自来水加压泵站机组运行的能耗，同时可以有效地减轻机组运行中对于电机的机械冲击，这对于延长自来水加压泵站机组设备的使用寿命，确保供水设施的正常非常有益。因此，自来水加压泵站机组管理部门应该深入的了解变频调速技术的工作原理以及变频调速技术应用中需要注意的各项问题，并积极通过技术升级改造，实现变频调速技术对于自来水加压泵站运行控制的最优化，进而实现自来水加压泵站机组设备运行的低能耗、高效率与智能化。