水位选择控制方式哪种更节能

2017/8/27 22:21:09 人评论 次浏览 分类:液位测量  文章地址:http://yunrun.com.cn/tech/632.html

水位控制的目的是为了保持水泵供水流量的稳定,实质是个保持物料平衡的问题。不管采用什么控制手段,最终结果反映的仍然是水泵的耗电。分析如下。
 
1、从控制的质量要求
位式控制的过渡过程是个等幅振荡过程。被控量水位总在上、下限之间振荡,设定的水位上、下限范围越小,或者用水量越大,其振荡频率越高,水泵的启、停越频繁,对电网和机械的冲击越大;这样的控制系统水泵是断续运转的,对水位也是断续控制的。
 
反馈控制是按水位的偏差进行控制,只要水位偏离给定值,系统就会动作力图消除偏差,所以能将水位稳定在所要求的设定值上。变频调速供水系统通过PI控制功能,自动地保持供水与用水之间的平衡。其控制精度高,水位波动小。这样的控制系统水泵是连续运转的,对水位也是连续控制的。
 
2、从水泵的节能效果看
离心式水泵属于平方律负载。水泵主要的参数是流量和扬程,供水功率与流量和扬程的乘积成正比。扬程特性反映了用水流量的大小对扬程的影响,即用水量越大,供水系统的扬程将越小;水泵的转速下降,其供水能力也会下降,扬程特性将下移。而管阻特性是为了在管路内得到一定的流量所需要的扬程;管阻特性与管道粗细、长短,阀门开度有关。
 
水泵的流量调节方式有:
① 阀门调节
根据水泵出口压力表指示来开大或关小水泵出口阀门来调节流量,而水泵的转速则是电动机的额定转速。实质就是水泵的供水能力不变,通过改变水路中的管阻大小来改变流量,以满足用水量,这时管阻特性会变化,但扬程特性是不变的。启、停控制属于阀门控制的形式,只是固定阀门开度后,不改变调节阀门开度而已。
 
② 变频调速
用变频器对水泵进行调速,是通过改变水泵的转速来调节流量,水泵出口阀门是全开的。变频调速通过改变水泵的供水能力来适应生产对流量的需求,当水泵的转速改变时,扬程特性将会改变,但管阻特性是不变的。
 
比较以上两种方式,在所需流量小于额定流量的情况下,变频调速时的扬程将减小,而阀门调节时的扬程将增大。变频调速所需的供水功率比阀门调节方式小得多,此时水泵的效率几乎不变,流量随转速按一次方规律变化,而轴功率按三次方规律变化。即电动机的负载功率为
              式中P0为空载功率;KP为比例常数;nL为负载的转速。
这就是变频调速供水有节能效果的原因。这只是个理想公式,并不能代表变频调速的节能效果有如此好,原因为异步电动机在轻载时的效率与功率因数都较低,再者供水系统是由多个环节组成的;如果变频器的参数调整得不佳,仍会出现“大马拉小车”的情况,这些问题对节能效果会有影响。阀门调节和变频调速时的空载功率也不可能完全一样,只是其属于共有的,所以将其忽略不进行比较而已。
 
3、阀门调节与变频调速的电耗对比
设水泵的轴功率P1=10kW,带水泵电动机的效率η1=0.95,变频器的效率ηb=0.95。
 
① 阀门调节的电耗估算
设水泵的启、停5-10min为一个周期,水泵一天累计运行8h,则一年的运行时间为2920h。阀门调节时,轴功率不变,则电动机消耗的功率为 阀门调节一年的运行电耗为10.526×2920=30735.92kW
 
②变频调速的电耗估算
变频调速由于是连续运行,工作时间为8760h,由于是连续供水,供水流量只需原来的1/3就可满足使用要求,故水泵转速在33%以下的时间居多,考虑到各种影响,计算时采用供水流量为35%。在启泵初期及运行中突遇大量用水,水泵全速供水仍会占一定比例,我们估算,100%流量供水占总运行时间的20%,35%流量供水占总运行时间的80%。则电动机消耗的功率为                                 
变频调速一年的运行电耗为:(10.74×O.2+0.46×0.8)×8760=22041.9kW。
因此对10kW的电动机,变频调速比阀门调节可节约的年运行电耗为30735.92-22041.9=8694kW
 
有文献介绍,在节能计算比较时,建议采用曲线拟合的计算方法,这样比常规计算法,更能得到更符合实际的结果。 
 

4、从机械性能来比较
阀门调节时电动机的启动是全压启动,对电网的影响就大。启动时水泵由于加速过快,会产生“水锤效应”;而在停机时由于停机过快会产生“空化现象”。这样会造成供水系统及管路振动大、噪声大,水泵是全速运转故机械磨损也大。
 
采用变频调速可对水泵进行软启动和软停车,可做到启动平稳,启动电流可控制在电动机的额定电流以内,减少了启动时对电网的冲击,同时调节水量容易,还节约电能;停机时可减少水锤效应的冲击,以减少冲击力对管道及水泵的损害,提高了供水系统的安全性。由于调速运行还可以降低水泵的机械磨损及噪声,可延长设备的使用寿命,减少了维修工作量和费用。
 
5、要从使用现场的具体情况出发
水位控制是为了保持供水流量稳定,用什么样的控制系统,采用什么形式的流量调节手段,与使用现场的工况及被控对象的特性有很大的关系,所谈的基本原理及方法,与实际应用还是存在差别的。
 
水泵液位控制系统,什么场合要用变频器或调节阀来进行连续控制?什么场合要采用对水泵的启、停位式控制?应该按使用的需求来选择控制方案。常见的大致有:
 
① 如果水泵一直是处于满负荷运行的,这样的工况唯一能做的是选用软启动器来控制电动机的启动电流及减少冲击,谈节能是不可能的。只有当用水的实际流量小于额定流量时,变频器才有用处,这时转速的下降才会有节能效益。
 
② 一般供水系统都具有缓冲装置(如水箱、水槽等)来稳定用水流量的波动,因此就有对水位的检测问题,才有了水位的控制需求。对于容积较大的设备,液位就相对较稳定,如:一个水塔抽一次水就可以供应用水数小时,一天24h只需抽几次水,这时只需用液位控制器,采用位式控制水泵的启、停即可。为了减少启动电流及克服水锤效应,选用软启动器更好;变频器在这里发挥不了作用。
 
③ 以上两种情况由于水泵是全压、全速运转,水泵的机械磨损及噪声就会大。对需要连续供水的场合,如锅炉汽包水位,自来水或小区供水等场合。水泵几乎是一直运行的,为保持水位的稳定,应选择连续供水的变频调速的PID控制系统。
 
选择控制并没有一个固定的模式,只有根据现场的实际,进行分析比较就可以选择出最符合实际的控制方案来实施。
 
6、结论
水泵运行时间长,选择连续运行控制的变频调速可以节省电能,可降低维修费用。如果水泵启、停5-10min为一个周期,这样的系统启、停是比较频繁的,应选择变频器进行连续控制效果会很好。
 
如果水泵运行时间很短,而水泵停机时间又较长时,没有必要选择变频调速及调节阀来进行连续控制。可考虑用软启动器解决水泵电动机的启动问题,以减少启动电流对电网的冲击,对防止水锤、汽化效应是有益的。

调节阀控制水位的系统,采用变频调速控制供水母管的压力也是可以节能的。
 

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