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自來水廠變頻循環投切恒壓供水系統

自來水廠變頻循環投切恒壓供水系統

1 概述
在自來水廠的供水泵站中,供水系統一般由若干臺揚程相近的水泵組成,調節水壓和流量的傳統方法是,通過人工控制水泵運行的臺數來輸出期望的水壓和流量。如供水能力4耀6 萬t/日的自來水廠,水泵的配置方案就有多種,其中一種可行的方案是3 臺160 kW 和1 臺90 kW 水泵組成。系統工作時,傳統的方法是,若供水量較大時(顯然此時流量和管網水壓已經不能滿足要求),就需人工投入水泵,根據現場管網水壓情況由工人來決定投入160 kW 水泵還是90 kW 水泵;若供水量減小,管網水壓會升高,此時又需人工切除水泵。在深夜用水量較小時,為節能考慮用1臺90 kW水泵供水。由于水泵的流量較大,為避免“水錘”效應,人工投切時,投入泵應遵循“先開機,開閥”的操作程序,切除泵應遵循“先關閥,后停機”的操作程序。若是小功率的水泵,水泵的出水側都裝有普通止回閥,其本上能自動保證以上的操作程序,只是停機時止回閥關閉前的瞬間還是有“水錘”效應產生,而如果安裝的是“微阻緩閉止回閥”,則停機時基本上就不存在”水錘“效應。
2 變頻恒壓供水的控制方案
由于城市自來水的用量會隨季節的變化而變化,隨每日時段不同而變化。為使供水的水壓恒定,最常見的辦法是采用變頻恒壓供水系統,即把壓力變送器裝在主管網上檢測管網壓力信號,再將此壓力信號送到變頻器(PLC)的模擬信號輸入端口,由此構成壓力閉環控制系統,管網壓力的恒定依賴變頻器的調節控制。圖 中,VVVF 是變頻器;變頻器通過接觸器的轉換啟動運行兩臺水泵電機,需要加泵時,變頻器停止運行,由PLC控制切換過程。切換開始時,變頻器停止輸出(變頻器設置為自由停車),利用水泵的慣性將第1臺水泵切換到工頻運行,變頻器連接到第2臺水泵上起動并運行,依此,將第2 臺水泵切換到工頻運行,變頻器連接到第3臺水泵上起動并運行;需要減泵時,系統將第1 臺水泵停止,第2 臺水泵停止,這時,變頻器連接在第3 臺水泵上。再需要加泵時,切換從第3 臺水泵開始循環。這種方式保證永遠有1 臺水泵在變頻運行,4 臺水泵中的任1 臺都可能變頻運行。這樣,才能做到不論用水量如何改變都可保持管網壓力基本恒定,且各臺水泵運行的時間基本相同,這給維護和檢修帶來方便,所以,大部分的供水廠家都鐘情于循環投切方案。但此方案也有不足之處,就是在只有1 臺變頻器運行并切換到工頻過程中會造成管網短時失壓,在設計時應充分地引起重視。另外,如需要可設置一套備用系統,圖中的軟啟動器就是作為備用。當變頻器或PLC 故障時,可用軟起動器手動輪流起動各泵運行供水。
3 循環投切的工作過程
眾所周知,變頻器的輸出端不能連接電源,也不能在運行中帶載脫閘,切換過程應按以下的程序進行。將循環投切恒壓供水系統投入運行時,當變頻器的輸出頻率已達到50 Hz 或52 Hz(能否將變頻器的上限頻率設為52 Hz,取決于水泵電機運行在52 Hz時是否超載)時,如果運行60 s管網水壓還未達到給定值,此時,將該臺變頻運行水泵需切換到工頻運行。切換過程是,變頻器停車(停車方式設定為自由停車),水泵電機慣性運轉,考慮到電機中的殘余電勢,不能將電機立即切換到工頻,而是延時一段時間,到電機中的殘余電勢下降到較小值,這個值保證電源電壓與殘余電勢不同相時造成的切換電流沖擊較小,例如,在某水廠,160 kW水泵電機的切換時間為600 ms。連接在電機工頻回路中的空氣開關容量為400 A,經現場調試,切換過程的電流沖擊較小,每一次切換都100豫的成功。關閥后停車,水泵電機基本上處于空載運轉,到600 ms 時電機的轉速下降不是很多,使切換時電流沖擊較小。切換完成后,已停車的變頻器切換到另外的水泵上起動并運行。這些操作都是由PLC 控制自動完成。
實際上,電機的傳統起動方式也存在一定的電流沖擊。電機直接起動時,起動電流是額定電流的5耀7 倍,小功率的電機經常采用直接起動方式,但電機功率較大時,常用星—三角或自耦減壓起動器。自耦減壓起動器起動電機時,首先加60%的電壓,屬恒頻調壓調速,數秒鐘或數十秒鐘后(根據電機的容量而定),電機加速到60%電壓時的速度,這時將60%的電壓切除,電機立即連接到100%(380 V)電源上。切除60%電壓時,電機的速度較變頻器投到工頻時電機的速度要低,殘余電勢相對低一些,又因投切是在瞬間完成的,電流沖擊可能性較大,故為保證切換成功,回路上的空氣開關容量一般都選得比較大。循環投切時,電機從變頻切換至工頻,只要切換的延時足夠,電機由變頻切換到工頻時的電流沖擊就不大。一般殘余電勢的衰減時間為1耀2 s,切換延時也不是越長越好,延時短,殘余電壓高,速度降落少;延時長,殘余電勢低,但速度降落大。選擇延時需二者兼顧,以求得最小的沖擊電流。如果要使切換過程無電流沖擊,需采用同步切換方式,加入一些控制手段和控制元件就可實現,但應考慮經濟上是否合算。
4 循環投切對變頻器和電機的影響
將電機從變頻狀態切換到工頻狀態時,變頻器內的功率器件立即關閉,電機的電流不能跳變,功率器件旁的并聯二極管提供了續流通路,殘余電壓經二極管整流器和中間環節電容流通,而轉子電阻消耗能量,電機的定子也能消耗部分能量,因此,殘余電壓的衰減比較快,這樣,雖然在切換時仍有一定的殘余電壓,但對變頻器影響已經很小,對電機壽命也無多大的影響。自耦減壓起動器切換時,電機內定子的殘余電壓無通路流通,只有轉子回路是閉合回路,也就是只有轉子電阻消耗能量,所以殘余電壓的衰減比較慢。這樣,切換時,因殘余電壓存在而形成的沖擊電流較大,對電機有一定的影響,在做電機設計時應充分考慮這些因素。
5.1 人機界面監控內容
人機界面監控的內容有管網壓力,流量,泵的運行狀態,變頻器頻率、故障狀況等。

5.2 原理框圖
采用循環投切方式的原理框圖如圖4 所示,為保證系統的可靠性,人機觸摸屏用于管理,通過組態軟件做出若干工藝流程圖,實時顯示系統的運行狀況,并統計歷史數據,如需要可隨時打印報表;
還用于故障的報警和處理。觸摸屏采用臺達DOP-B07S200,PLC 為歐姆龍CP1E-N30 PLC,在自動狀態下由PLC自動控制水泵的切換和運行。水壓的給定值由變頻器鍵盤設定。<?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" /> <?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

6 結語
多泵變頻恒壓供水系統常用的方案各有優劣,采用循環投切方案的系統較多,在水泵電機從變頻狀態切換到工頻狀態時,只要嚴格遵循“先變頻器自由停車,延時后再切換”的操作程序,就既可保證變頻器的安全運行,又無“水錘”現象發生。

點擊次數:  發布日期:2012-07-26  【打印此頁】  【關閉
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