水泵电机变频节能改造和节能分析
通常我们所用的市电频率为50Hz, 而电动机的转速与电源的频率有固定的比率关系, (N=60F/P) , 为了改变交流异步电机的转速必须改变电源频率。变频器就是一频率转换器, 它先将交流市电转换成直流电, 再通过斩波换成频率, 电压可变化的交流电。频率越高, 电机转速越高, 实际输出功率越大;频率越低, 电机转速就越慢, 实际功率就越小, 水泵电机如图1所示。故变频器又叫节能器。由于内部采用高性能微机处理技术;能检测负载的各种变化, 从而控制电机转矩、电流、电压、频率, 给电机提供全系列的保护。
图1 水泵电机
变频调速原理, 根据交流电动机工作原理中的转速关系:
式中:n———异步电动机的转速;
f———异步电动机的频率;
s———电动机转差率;
p———电动机极对数。
水泵特性分析, 根据潜水泵及其它水泵的工作原理, 其负载是典型的平方转矩负载, 特性如下:
功率 (P) =电流 (Q) ×扬程 (H)
流量 (Q) =kg×频率 (F)
扬程 (H) =kh×频率 (F)
功率 (P) =kp×频率 (F)
每吨功耗 (W) =ko×功率 (P) /电流 (Q) =k W×频率 (F)
性能特点:平稳启动, 缓减速特性:能大大提高水泵的机械系统 (如:轴承、叶轮、管道等) 的寿命, 减小维修成本。系统压力恒定、可靠。输出功率自动调节:供水泵的输出功率在额定功率的10%～100%之间自动跟随需要压力的大小调节。电压异常保护:工作电压>484V时, 自动切断输出, 工作电压<323时, 自动切断输出。根据大量的现场调试, 一般水泵在市电运行情况下, 实际所消耗的总功率大概为电机额定功率的60%～80%。
在该改造方案中, 考虑到节能和设备损耗等因素, 增加了PLC和变频器对水泵进行控制。此外, 在供回水管道增加温度传感器。改造方案中通过采集现场供/回水管路上温度信号送到PLC控制站, 根据温差信号做PID调节来改变变频器的运行频率调节供水流量的大小, 同时又能满足工作环境的要求, 最大限度的达到节能的效果。在该控制系统中, 中央控制采用RockWell公司的Micrologix1200系列PLC, 并根据IO模块采集到的现场设备运行数据, 自动进行逻辑运算, 并对变频器进行速度调节, 实现全过程的闭环自动调节, 更有效的达到节能的目的。现场设备采用AB公司专门针对风机泵设计的Powerflex400系列变频器对水泵进行控制。
在实践运行过程检测中发现, 该改造方案可以实现以下功能: (1) 根据供/回水管温度信号, 能够自动调节变频水泵的转速; (2) 设定供水压力上限, 当到达压力上限, 系统自采取相应安全措施, 并产生报警, 提高系统地安全性; (3) 全自动控制设备运行, 故障情况自动切换到备用设备。
该控制系统采用两种控制方式:自动控制和手动控制。一般情况下, 系统运行在自动控制模式下, 此时不需要任何手动操作, 程序自动启动冷冻水泵和冷却水泵, 并且实时采集现场温度信号并送到PLC, 通过逻辑运算来自动控制变频水泵频率的调节等功能, 在设备出现故障后, 自动切换到备用设备, 并发出报警信号。
现场控制柜有手/自动转换开关, 实现系统的手/自动控制模式的转换。在自动模式下:程序根据采集的现场仪表参数, 变频冷冻水泵根据供回水管温度信号, PLC进行数据分析, 并采取相应的控制操作:变频器速度调节:报警信息的显示等, 在整个运行过程中全部实现闭环控制调节, 当传感器检测到回水和供水之间的温度差值加大的时候, 温度信号传送给PLC, 通过逻辑运算调节水泵, 使之加速运行;当差值变小时, 水泵减速, 回归正常值。无论那一台变频器出现意外跳闸, 本系统无论在自动还是手动模式都会切换到备用变频器, 指示灯和蜂鸣器报警程序时时采集供水压力传感器信号, 并且与压力设定值上限做比较, 当压力信号高于设定压力上限, 系统自动停止所有变频水泵, 并产生报警, 有效避免了爆管现象提高了系统的安全性。注意:在此模式下, 主水泵采用变频控制, 备用水泵采用直接启动。在手动模式下:变频水泵由现场操作人员在控制柜柜面上通过启动/停止按钮实现变频水泵的启停, 此时速度可以由操作人员通过变频器控制面板输入运行频率。
对于冷冻电机水泵控制系统, 按照传统的容量设计方案, 负荷在一年中实际运用比例只是占到全部的一半, 大部分时间只是少量负荷在运行, 浪费现象严重。所以说冷冻水定流量运行存在很大的能量浪费, 所以采用变频器来控制水泵, 达到最大限度的节能。变频器是通过改变电机的频率来调节电机转速, 频率可无级调节, 调节范围大 (一般为0～400Hz) , 调速稳定。
变频调速用于水泵改造, 具有以下独特的优点: (1) 起动、停止平稳, 无级调速, 调速范围大: (2) 工作可靠, 能长期连续稳定运行; (3) 操作简单方便, 维护量小; (4) 输出特性可满足水泵特性要求; (5) 节能效果显著。
根据冷冻水控制系统现有设备运行情况分析得到:冷冻水泵:18.5kW×2 (一用一备) ;冷却水泵:11kW×2 (一用一备) ; (注:以下节能数据分析以冷冻水泵为例)
设备运行情况: (1) 每天24h运行1台冷冻水泵18.5kW (一用一备) : (2) 每月运行30d:冷冻水泵:不采用变频器时:一台水泵:18.5kW×1=18.5kW运行时间24×30-720h;每月正常用电量: (18.5×1) 720=18.5×720=13, 320kWh。
通过变频器改变冷却泵的转速, 从而改变水流量, 在反馈信号、PLC的PID调节、变频器三者之间的闭环系统, 使得冷却泵转速和负荷统一变化, 达到节能调节。
改造前浊环水泵是用三相交流异步电动机拖动, 电机直接启动, 启动电流等于额定电流的7倍。这不仅需要高电网容量, 而且还会在启动时对设备和电网造成严重影响, 这极大地影响了使用寿命, 使用了变频装置, 并利用了逆变器的柔软性。启动功能将从零开始启动电流, 最大值不会超过额定电流, 从而减少对电网的影响和电源容量, 从而延长设备的使用寿命。出口管流量的控制是调节浑浊环水泵出口阀的水量, 并且电动机的功率浪费在阀上。整个系统主要有以下几个问题:
为了满足主生产设备的供水正常, 使整个循环水系统达到基本平衡, 值班人员必须通过浊环水池安装的液位计对水位进行监控, 当水量不平衡时值班人员必须通过浊环水泵出口阀门对水量进行调节, 如果在生产不正常或情况变化大时调节阀门的次数也多, 大大增加了值班人员的劳动强度。而且用阀门调节出口流量精确度不高, 调整用时过长, 不能很好满足生产所需。
生产正常时浊环水泵只需要开一备一, 水泵启动后电机都在恒速下运行, 在每台泵出口处安装有阀门对水量进行调节。通过改变阀门开度来调节电机轴功率并不明显, 这样大量电能消耗在电机转矩, 水泵叶轮, 电动阀门等管网设备上。水泵电机额定电流是42.5A, 正常运行时是42A, 基本达到了满负荷运行, 这样会大大缩减了设备的使用寿命。
水泵轴承, 机封经常性损坏, 出口阀门使用周期较短, 造成了人工费费, 材料费大幅调高;电机温度经常性过高, 对电机的使用寿命有直接的影响。
鉴于上述因素我们考虑对水处理2台浊环水泵中型高压三相异步电动机进行变频调速改造。
在有水泵的机械设备中, 采用变频控制水泵电机转速的方式来调节流量, 在节能上是一个最有效的方法。在玉钢的实际生产中, 调节水泵的流量都是通过改变阀门开度来实现, 与之前所分析的结果对比, 使用变频调节电机转速的方式来代替现在的阀门调节流量方式, 将真正实现节能的目的。
风机水泵的变频调速可达到理想的节能效果。下面举例说明采用变频调速后系统的节能效果:
假设中央空调的冷冻水泵功率PN=100kW, 全速时供水量为QN, 每天的平均流量为80%QN, 泵的空载损耗约为15%PN, 则消耗功率为
节电率为 (100-58.52) /100=42.48%
即使每天的平均流量为90%QN, 则消耗功率为
节电率为 (100-76.97) /100=23.03%
实践证明, 改造后系统节电率一般可达到20%～40%以上。
变频器选用易驱变频器ED2003-FP系列产品, 因水泵负载不重, 按1:1的比例配置即可。温度传感器选用管道式温度变送器。原系统不足, 冷水机组水泵的运行过程一直处于工频全速运行状态, 如果改变供水流量则需要通过调节压差旁通阀的大小来实在工作时段时, 无论需要多大的供水流量, 都要求水泵在工频下运行才可以满足工作环境的需要, 每个月都要消耗30%左右的电能, 这对电力能源是个较大的浪费。
通过采用PLC和变频器控制, 冷却水泵输出功率能够根据负载变化自动改变, 节约电能效果明显。在机械性能上表现抢眼:降低磨损、噪音和振动, 使得设备维修周期和使用寿命大大延长, 工人的劳动强度和工作环境得到了很大改善。由于有了更为人性化的保护措施, 系统的可靠性和工人的安全措施得到提升, 生产效率有了提升。设备操作方便、简单, 维护也方便很多。
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