自來水廠變頻循環投切恒壓供水系統
一.前言
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，按期望輸出的水壓和流量用人工控制水泵運行的臺數。如供水能力4-6萬噸/日的自來水廠，水泵的配置方案有多種，其中一種可行的方案是三臺160KW和一臺90KW水泵組成。系統工作時，傳統的方法是，若供水量較大，顯然，流量和管網水壓已經不能滿足要求，這時需人工投入水泵，根據現場管網水壓情況由工人來決定投入160KW水泵還是90KW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，為節能考慮用一臺90KW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，后開閥”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，如果安裝的是“微阻緩閉止回閥”，停機時基本上也不存在”水錘“效應。
二.變頻恒壓供水的控制方案
由于城市自來水的用量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，較常見的辦法是采用變頻恒壓供水系統，即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。對于多泵情況，可以兩種不同的控制系統方案，一種是”順序控制方案”，系統圖如圖一所示
圖一 順序控制方案系統圖
圖中：BP1—變頻器；BU1～BU4--軟起動器,PT—壓力變送器。由圖一可見，變頻器連接在第，一臺水泵電機上，需要加泵或減泵時，由變頻器RO1～RO3端口輸出信號起動或停止其他的水泵，這時水泵的起動采用自耦減壓起動裝置或軟起動器。這種方案的特點是水泵電機不需要在變頻和工頻之間切換；第，一臺水泵 連接在變頻器上，沒有切換過程中的失壓現象；由于變頻泵以外的泵都有軟起動器，所以不需要再做備用系統，當變頻器故障時，可用軟起動器手動起動M2～M4水泵，保證供水不致中斷；每臺電機都有起動器，初始投資較大。另一種是“循環投切”方案，系統圖如圖二所示
圖二 變頻恒壓供水循環投切方案系統圖
圖中：BP1—變頻器，BU1—軟啟動器，PT－壓力變送器，ZJ1、ZJ2－用于控制系統的起動/停止和自動/手動轉換。由圖二可見，變頻器連接在第，一臺水泵電機上，需要加泵時，變頻器停止運行，并由變頻器的輸出端口RO1～RO3輸出信號到PLC，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，一臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第，二臺水泵上起動并運行，照此，將第，二臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第，三臺水泵上起動并運行；需要減泵時，系統將第，一臺水泵停止，第，二臺水泵停止，這時，變頻器連接在第，三臺水泵上。再需要加泵時，切換從第，三臺水泵開始循環。這種方式保證 有一臺水泵在變頻運行，四臺水泵中的任一臺都可能變頻運行。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，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，就是在只有一臺變頻器運行并切換到工頻過程中會造成管網短時失壓，在設計時應充分的引起重視。另外，須設置一套備用系統，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。
三.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，也不能運行中帶載脫閘，切換過程應按以下的程序進行。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50Hz或52Hz時，能否將變頻器的上限頻率設為52Hz，取決于水泵電機運行在52Hz時是否超載。在50Hz頻率下運行60S管網水壓未達到給定值，此時，該臺水泵需切換到工頻運行。切換過程是：先關該臺水泵電動閥，然后變頻器停車(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壓，不能將電機立即切換到工頻，而是延長時間一段時間，到電機中的殘余電壓下降到較小值，這個值保證電源電壓與殘余電壓不同相時造成的切換電流沖擊較小，在某水廠160KW水泵電機的切換時間為600ms。連接在電機工頻回路中的空氣開關容量為400A，經現場調試切換過程的電流沖擊較小，每一次切換都比較的成功。關閥后停車，水泵電機基本上處于空載運轉，到600ms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，再打開電動閥；已停車的變頻器切換到另外的水泵上起動并運行，再開電動閥。切除工頻泵時，先關閥，后停車，這樣無“水錘“現象產生。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 的電流沖擊。對電機直接時，起動電流是額定電流的5～7倍，小功率的電機經常采用直接起動方式。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，將60%的電壓切除后立即連接到99%(380V)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，殘余電壓相對低一些，投切是在瞬間完成的，電流沖擊可能性較大，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，電機從變頻往工頻切換，只要切換的延長時間足夠，電機由變頻切換到工頻時的電流沖擊不大。一般殘余電壓的衰減時間為1—2秒，切換延長時間也不是越長越好，延長時間短，殘余電壓高，速度降落少；延長時間長，殘余電壓低，但速度降落大。選擇延長時間需二者兼顧，以求得較小的沖擊電流。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，但考慮經濟上是否合算。
四.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，電機的電流不能躍變，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，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，雖然在切換時仍有 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，也只有轉子電阻消耗能量，殘余電壓的衰減比較慢。切換時，因殘余電壓存在而形成的沖擊電流較大，對電機有 的影響，電機設計時已充分考慮了這些因素。
五.應用實例
四川遂寧市自來水二廠，供水能力6萬噸/日，城市管網壓力0.4MPa，泵組為3臺160KW，1臺90KW水泵，要求恒壓供水并采用計算機監控，變頻器或控制系統故障可由軟起動器手動起動各泵。
（1）計算機監控內容
管網壓力，流量，泵的運行狀態，閥啟閉狀態，電機溫度，各泵運行的電流，電壓，功率和功率因素，并監控水質參數如余氯,濁度，含鐵量，PH值等。
（2）原理框圖
采用循環投切方式，備用系統用一軟起動器和相關器件構成。
圖三 計算機監控原理圖
為保證系統的可靠性，上位機PC用于管理，用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。PC機為研華工業計算機，PLC為西門子S-7300,便于與總控室計算機聯網，采用帶有Profibus接口的CPU315.CP5611是通信模塊，PDM-820AC電參數綜合分析儀用于檢測系統的用電量。控制水泵的起/停，切換，閥的啟/閉；電機電流，溫度的檢測，水泵使用時間的統計；壓力，流量，水質參數的采集等，均由PLC完成。水壓的給定值由變頻器鍵盤設定。
圖四 變頻恒壓供水電氣原理圖
如圖四所示，與前述的循環投切方案基本相同，BP1為160KW變頻器，DZ1—DZ6為LG ABE403a 400A空氣開關，FU1 500A,FU2 600A為快熔，KM1-KM10位LG GMC-400交流接觸器，PT為森納斯壓力變送器，量程1Mpa.系統調試時，水泵電機從變頻狀態切換到工頻狀態，延長時間從300ms起，到500ms時電流表顯示也無明顯的沖擊，較后定為600ms.軟起動器設定為限流起動方式，設定為2.5倍。軟起動器起動時，起動電流接近800A,但在30S內下降到額定電流以下，查600A熔斷器曲線,通過1000A電流在60S熔斷，所以軟起動器的熔斷器定為600A。該系統已經投產兩年，每日供水4-5萬噸，運行良好。據廠家統計，電耗/噸減少20%.
六.結論：
多泵變頻恒壓供水系統常用的兩種構成方案，兩種方案各有優劣，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“先關閥，變頻器自由停車，延長時間后再切換；停車時，先開機，后開閥“。這樣，既可保證變頻器的安全運行，又無“水錘”現象發生。
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