水泵的節(jié)能控制

1、水泵的節(jié)能控制摘要 : 針對目前使用泵房水泵效率低、耗能嚴(yán)重的現(xiàn)狀 , ， 研究了閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)在供水行業(yè)中的適用性和經(jīng)濟(jì)性， 以實(shí) 現(xiàn)自動操作的節(jié)能生產(chǎn)模式。另介紹了射流-尾跡三元流動理論在水泵節(jié)能上的應(yīng)用。關(guān)鍵詞： 射流 -尾跡三元流動 水泵 節(jié)能改造 閉環(huán)變頻1、現(xiàn)行水泵控制存在的問題 目前，大多數(shù)水廠均采用一臺變頻調(diào)速水泵和幾臺工頻恒速水泵 并聯(lián)運(yùn)行的水泵系統(tǒng)。由調(diào)度人員根據(jù)城市管網(wǎng)各分布測壓點(diǎn)的數(shù)據(jù)， 通知水廠人工將變頻器輸出頻率調(diào)整到一定水平或切換工頻泵組數(shù)量。 這種控制方式存在著以下問題：（1）由于季節(jié)、天氣和生產(chǎn)需求的變化，用水量的需求波動較大（水 壓過低則不能滿足要求，水壓

2、過高則造成能源浪費(fèi)） ；（2）供水壓力變化范圍大；（3）由于用水量的大幅波動，操作人員要隨時(shí)根據(jù)需要開、停泵組， 人工優(yōu)化組合開機(jī)數(shù)量；泵組起停頻繁造成水壓波動較大，對電動機(jī)、 管網(wǎng)的使用壽命均有較大影響；（4）泵組的開、停使管壓為臺階式變化，時(shí)高時(shí)低，供水質(zhì)量差，電 耗高，爆管及維修費(fèi)用增加；（5）泵組起動頻繁，沖擊電流大，對電動機(jī)和機(jī)械壽命均有不利影響， 浪費(fèi)電能。因此，對水泵機(jī)組進(jìn)行自動化恒水壓控制系統(tǒng)改造、統(tǒng)一監(jiān)控管理 是現(xiàn)代化水廠的必然選擇。2、改進(jìn)方案的設(shè)計(jì)原則及控制方式和水平 本方案采用閉環(huán)變頻調(diào)速變恒水壓控制系統(tǒng)，以系統(tǒng)的安全性、 靈活性及方便的操作性為性能指標(biāo)， 在經(jīng)濟(jì)合理的

3、前提下力求實(shí)現(xiàn)高 效節(jié)能和高可靠性， 同時(shí)減輕工作人員勞動強(qiáng)度， 提高生產(chǎn)效率和綜 合自動化控制水平。本方案采用可編程序控制器 PLC 作為檢測和控制核心， 以變頻調(diào) 速器為執(zhí)行設(shè)備， 根據(jù)供水經(jīng)驗(yàn)以相應(yīng)時(shí)期和時(shí)段的壓力值為目標(biāo)設(shè) 定值，管網(wǎng)水壓為目標(biāo)值的閉環(huán)控制方式對 3 臺（以一拖三為例）供 水泵組進(jìn)行自動化控制，變恒水壓供水，自動運(yùn)行，手動后備， 聯(lián)鎖 控制。本方案通過對 3 臺泵組進(jìn)行變頻加工頻模式全自動控制，穩(wěn)定管 網(wǎng)水壓， 達(dá)到恒水壓供水的目的。 控制室人員通過控制屏可進(jìn)行泵組 的開停操作、恒水壓控制設(shè)定、水壓監(jiān)控、水壓異常報(bào)警、泵組運(yùn)行 異常報(bào)警等對被控對象進(jìn)行控制監(jiān)視和事故處理

4、。3、控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能3.1 系統(tǒng)組成 系統(tǒng)框圖如下圖所示。在泵站設(shè)一中規(guī)模 PLC 控制器，用于控制交 流變頻調(diào)速器恒水壓供水系統(tǒng)和負(fù)責(zé)泵站各種電氣、 水壓等參數(shù)的監(jiān) 控，也可進(jìn)一步與上位監(jiān)控站聯(lián)網(wǎng)通訊，實(shí)現(xiàn)智能控制。壓力設(shè)定_ 一 pl葉壓力傳感器卜n變頻器.一 一MlM2M3管道輸出I在恒水壓供水時(shí)，先人工設(shè)定 PLC控制器壓力目標(biāo)值，PLC控制 器根據(jù)壓力傳感器反饋信號與設(shè)定值比較來決定調(diào)節(jié)變頻器的頻率、 電壓輸出。若水壓仍未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，PLC通過變頻、工頻運(yùn)行切換（如切斷K1，接通K4、K2）使原泵組轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，同時(shí)使另一 泵組處于變頻調(diào)節(jié)狀態(tài)，進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)直至壓力平衡，反之

5、亦然。3.2控制功能（1）通過調(diào)節(jié)開、停工頻泵組數(shù)量和變頻調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到 調(diào)節(jié)并穩(wěn)定管網(wǎng)水壓的目的；（2）以管網(wǎng)水壓參數(shù)為控制目標(biāo)，達(dá)到節(jié)能供水；（3）3臺泵組均為軟起動工作，減少了起動電流沖擊和機(jī)械磨損， 延長了設(shè)備的使用壽命；（4）以“先入先出”原則對 3臺水泵進(jìn)行優(yōu)化組合，循環(huán)投入或 切換，使各泵高效工作并磨損均勻；（5）泵組的變頻、工頻運(yùn)行實(shí)現(xiàn)無擾動切換;（6）每臺泵組的后備手動現(xiàn)場控制功能確保了在故障情況下能不 間斷供水；（7）具有水壓異常和泵組異常報(bào)警功能。4、射流 -尾跡三元流動理論介紹三元流技術(shù)， 實(shí)質(zhì)上就是通過使用先進(jìn)的泵設(shè)計(jì)軟件 射流一尾 跡三元流動理論計(jì)算方法 ，結(jié)合

6、生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際的運(yùn)行工況，重新進(jìn) 行泵內(nèi)水力部件 （主要是葉輪 ）的優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體步驟是：根據(jù)用戶的 實(shí)際情況，先對“在用”離心泵的流量、 壓力、電機(jī)耗功等進(jìn)行測試， 并提出常年運(yùn)行的工藝參數(shù)要求， 作為泵的設(shè)計(jì)參數(shù)； 再使用泵設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)出新葉輪，保證可以和原型互換， 在不動管路電路、泵體等 條件下實(shí)現(xiàn)節(jié)能或擴(kuò)大生產(chǎn)能力的目標(biāo)。4.1 一元、三元流動基本概念圖 1 左邊是葉輪的局部視圖，圖 l 右邊是把葉輪內(nèi)兩個(gè)相鄰葉片 和前、后蓋板形成的流道 abcdefgh 作為一個(gè)計(jì)算分析研究的單元。 aehd、bfgc 是兩個(gè)相鄰的葉片， dcnghid 是葉輪前蓋板， bkfeja 是葉輪 后蓋板

7、。傳統(tǒng)的“一元流理論” ，就是把葉輪內(nèi)的曲形流道 abcdefgh， 視為一個(gè)截面變化的彎曲流管， 認(rèn)為沿流線的流速大小僅隨截面大小 而變化，但假定在每個(gè)橫斷面上如 abcd、ijkn、efgh 等等，流速是相 同的。這樣在流體力學(xué)計(jì)算中，流動速度（W）就只是流線長度坐標(biāo)（S ） 的一元函數(shù)。這種簡化使泵內(nèi)部流體力學(xué)的計(jì)算可以用手工算法得以 實(shí)現(xiàn)。 國內(nèi)電廠廣為采用的雙吸水平中開泵， 就是采用這種理論設(shè)計(jì)1葉輪.圓柱坐#（R. 4 Z）及流動速度附然而由于葉輪流道 abcdefgh的三元曲線形狀又是高速旋轉(zhuǎn)的，流 速（或壓力）不但沿流線變化，而且沿橫截面 abed ijkn、efgh等等， 任

8、一點(diǎn)都是不相同的，即流速是三元空問圓柱坐標(biāo)（R、（Z Z）的函數(shù)。 特別是葉片數(shù)也是有限的，流速和壓力沿旋轉(zhuǎn)周向（理標(biāo)）的變化，正是水泵向流體輸入功的最終體現(xiàn)，忽略這一點(diǎn)就無法計(jì)算水泵內(nèi)部 的壓力變化，這也就是為什么一元流動理論只能計(jì)算葉輪進(jìn)口、出口參數(shù)，而不能準(zhǔn)確分析葉輪內(nèi)部流動參數(shù)的原因。水泵的效率顯然與其內(nèi)部流動狀況的好壞是密不可分的， 一元流理論固然簡單，但不能 完全反映泵內(nèi)的真實(shí)流動，這就在設(shè)計(jì)上阻礙了泵效率的提高。4.2 “射流一尾跡”三元流動最早在航空用離心壓氣機(jī)中，用激光測速技術(shù)觀察到“射流一尾跡” 現(xiàn)象，如圖2所示，弧狀彎曲線dh和 分別代表兩個(gè)相鄰的葉片，比 為葉片進(jìn)口邊，

9、hg為葉片出口邊， 為葉片進(jìn)口流速，為葉片出口流 速，都是不均勻的。t是流動分離點(diǎn)，htv即是尾跡區(qū)，是一些低能量 流體組成，類似一個(gè)旋渦。cdtvg則是射流區(qū)可視為無粘性的位流區(qū),可按通常的三元流計(jì)算圖2射流一一尾跡模型關(guān)于尾跡區(qū)的計(jì)算，目前還沒有準(zhǔn)確的方法，只能依靠半經(jīng)驗(yàn)的方法加以計(jì)算，詳見參考文獻(xiàn)。研究表明，由于粘性和壓力梯度的存 在，泵輪出口沿葉片吸力面及前蓋板表面都會有流體的脫流，形成“尾跡”區(qū)一一 它們不但消耗了有用功，降低泵效率，而且由于流道的 堵塞，使流量減少。這些都是一元流動理論無法預(yù)測和分析的，只有通過“射流一尾跡三元流動”計(jì)算才能得出定量分析，這樣才能使我 們通過改善葉輪內(nèi)流動狀態(tài)，減少進(jìn)口沖擊和出口尾跡脫流等損失， 使泵效率真正得以提高。5、結(jié)語閉環(huán)變頻調(diào)速范圍寬，對穩(wěn)定管壓、提高供水量有利；平滑的啟動和調(diào)速減少了對電動機(jī)和機(jī) 械設(shè)備的沖擊；實(shí)現(xiàn)了恒壓供水；流量 Q 減少時(shí)，耗用功率 P 隨水 泵轉(zhuǎn)速n3遞減，例如水泵轉(zhuǎn)速n下降為0.8fn，耗用功率P=0.51Pn, 即可節(jié)約一半電能； 控制的自動化避免了人工干預(yù)影響系統(tǒng)