一种变频泵站节约能耗的计算机控制技术

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给水行业的配水、增压泵站进行变频调速节能技术改造后，经过运行，普遍发现在使用过程中存在以下问题：
1、 在满足用户的需水量及保证供水压力的情况下，开并联泵组时，水泵节电很少甚至不节电；一台调速泵运行时，节电很少或不节电。
2、当工况点、管网参数等情况发生变化后，且在泵站系统满足工况条件下，调速系统经常出现运行不稳定现象，从而造成节能效果不能保持最低的单位电耗值。
针对供水行业的使用情况，许多人盲目的把变频调速设备当作节能设备来看待，实际上对变频技术根本不清楚，也没有确切衡量节电效果的准确尺度。对此，本文讨论在并联泵组中，机组如何合理搭配运行以及使用调速方式，采用力控组态软件+PLC控制技术，解决对泵站节能经济运行的量化问题。

一、能耗最小的并联泵组合理运行搭配及调速方式的控制理论
1 、控制原理
　　在泵站系统的工艺参数（流量、压力）、设备参数（水泵、电机、调速装置）等确定的情况下，采用最小二乘法理论找出H-Q之间的函数关系，运用并联泵组特性曲线拟合法，自动找出一套耗能最小的运行搭配和调速方式，即优化泵组合方案（运行搭配合理的泵组工况点稳定运行在高效区间内）。当然，该优化泵组合方案并不一定是每台水泵都能达到最优，在这里是指一个泵站内水泵优化组合后的总体效果，可以形象的说把整个泵站内已优化组合后的每一泵组合方案看作一台水泵，我们把泵组合方案称为虚拟水泵，而这一台虚拟水泵在一定压力和流量下，用最小二乘法理论计算出虚拟水泵的特性方程和特性曲线为标准，找出虚拟水泵高效区的范围。当“虚拟水泵”的工况点不在高效区内运行时，控制系统可根据水泵调速的相似定理和等效率原理，通过设定参数自动调整变频泵的运行工况点，使动态运行虚拟水泵的工况点处在高效区内，此时单位流量耗能最小（控制原理 示意见图1）。




欲使调速后的“虚拟水泵”方案工况点运行在高效区内，可根据相似定理和等效率原理，使“虚拟水泵”调速后的特性曲线经过设定的（流量、压力）参数点，此点就是“虚拟水泵”的最佳工况点。

二、技术设计与实现
1、泵站的工艺流程及控制流程
1.1泵站的工艺流程
我公司董庄配水泵站采用直抽方式对一条DN800管道进行配水，最终配水流量为2100m3/h，出站压力为0.39MPa。主要设备有： 2台日本MITSUTISHI F系列变频器；4台离心式送水泵，每台送水泵配一台出水电动阀、一个吊水电磁阀；2台立式潜水泵(排水用)；2台真空泵(送水泵真空吊水用)。此外，设备还有与系统相关的自动化仪表等。从节能降耗的目标出发，配水泵站最终的泵组优化搭配及调速方案（表1）。


　　配水水泵在清水池水位有效水深1.8米以上时，为自灌式；1.8米以下需进行真空吊水。水泵开停台数，根据清水池的水位、服务压力和流量的参数自动优化组合，并把机泵的运行状态通过PLC 的I/O接口及时传送给力控组态软件实时数据库，使值班人员随时监控各机泵运行情况；排水泵根据集水坑水位、真空泵根据真空吊水要求自动确定开、停泵。在电气回路中，高、低压开关柜倒闸均为人工操作，电量和仪表数据记录自动传输，值班人员可从显示屏上及时看到每一台虚拟水泵的单位流量电耗值和其它参数。

1.2泵站的控制流程
泵站内的机泵控制，可采用现场手动控制方式、半自动控制方式、全自动控制方式，运行机泵出现故障时，备用机泵自动开启。
设定“虚拟水泵”的参数（流量、压力），显示屏上同时显示“虚拟水泵”的理论H-Q特性曲线和管网特性曲线(见图2)。根据每一台“虚拟水泵”对应的理论单位流量电耗值，选择“虚拟水泵”方案，并输出所选的方案。在机泵启动前，系统自动检测清水池水位状态、泵停止状态、泵非故障状态、泵运行状态、变频器非故障状态、阀门的位置状态信号是否正常，若不正常，停止开泵；若信号正常，依次启动调速泵、定速泵，自动打开对应出水阀门，“虚拟水泵”运行正常后，可从显示屏上监控“虚拟水泵”理论特性曲线与该“虚拟水泵”实际叠加后动态特性曲线的拟合情况，值班人员很快能知道“虚拟水泵”工况点是否运行在高效区，若“虚拟水泵”的实时单位流量电耗值超过理论单位流量电耗值，系统则发出声、光报警信号，及时通知值班人员，用本地控制方式由值班人员手动控制调节，使“虚拟水泵”的工况点运行在高效区内。若以上有任一信号不正确，管网压力和流量即使满足要求，也不能开泵，同时，发出报警信号。另外，每一台机泵的运行实时电流超过本身正常的额定电流，且延时8秒时，发出故障报警信号，并紧急停泵。水泵若未能按程序操作，则报警。每台水泵电机发生故障，都可以自动关闭对应阀门，并发出故障报警信号，同时备用泵自行投入运行。PLC接到关泵指令，先关闭对应出水阀门，水泵再停止运转。排水泵的控制逻辑和高、低压配电的监控参数由PLC单独控制。



2、软件的设计与实现
根据泵组合理运行搭配及调速理论、控制流程、，程序监控流程图（图3）为：



三、应用效果
　　2000年6月经过实测的数据统计分析，我们发现单独采用自控变频控制技术后，在并联泵组运行时，节能较少，跟没有使用变频设备差不多。2002年4月经过用组态软件+PLC+变频调速控制技术改造后，泵站系统在满足工况条件下，自动变频系统运行稳定，节能效果长期保持最低的单位电耗值，比原来用变频设备改造后节约30%左右（见表2）。



四、结语
综上所述，在供水行业内，使用自控变频设备是否节能，经过实践，我们认为只有对应用环境、控制对象以及经准确理论测算有多大的节能潜力，然后采用什么样的自动控制方案改造节能潜力最大，且系统稳定可靠，节能效果保持长期稳定，才是我们真正要达到的用当前信息工程技术改造传统控制过程的目的。



参考文献 ：
①培训教材编写组 力控组态软件使用说明书. 北京三维力控科技有限公司 1999.07。
②培训教材编写组 OMRON PLC 编程手册. 上海OMRON自动化有限公司 1997.05。
③蒋继申等编著 .给水行业自动控制系统 河海大学出版社 , 1999.12。
④刘家春．泵站经济运行方案的确立．水泵技术，1998.02。
⑤于明，范书昌．离心泵并联运行工况点的确定．水泵技术，1999.02。
⑥韩德宏 孙文深. 深圳特区原水系统调度模型的建立.中国给水五十年回顾，1999。