森蘭變頻器用于恒液位供水
一. 現(xiàn)場(chǎng)情況
某工礦地處遠(yuǎn)離城市的山區(qū)中，不可能使用市政的自來(lái)水管網(wǎng)，那就自建一個(gè)小型的供水系統(tǒng)。一般的情況是，在靠近河邊建一個(gè)取水站，將河水抽到半山腰的水處理站，經(jīng)過(guò)沉淀，加氯**后，再由水泵送到山頂?shù)母呶凰兀蒙巾斉c用戶之間的高差實(shí)現(xiàn)自流供水。這種情況比較普遍，如鐵路沿線的車站，大都遠(yuǎn)離城市，而且相當(dāng)多的車站建在山區(qū)中，其自建的供水系統(tǒng)與此類似。本例用戶的取水站建在山下的河邊上，離半山腰的水處理站直線距離在800米以上，取水站有3臺(tái)揚(yáng)程110米的30kW水泵，二用一備。取水站無(wú)人值守，水處理站有人值班，取水站的水泵的起，停控制也是由水處理站的值班人員擔(dān)任。值班人觀察水處理沉淀池的水位，如果沉淀池快要抽滿或抽水量不足時(shí)，值班人員就步行1公里多路程到取水站進(jìn)行相應(yīng)的操作。對(duì)于沉淀池快要抽滿的情況，有時(shí)處理不及時(shí)，沉淀池水滿后就流失了較多的水，這不僅浪費(fèi)電能，也造成水資源損失。水處理站將處理好的水送往高位水池，有2臺(tái)揚(yáng)程80米的45kW水泵一用一備，也同樣有高位水池水滿后造成水資源損失和電能的浪費(fèi)。
二. 控制方案
因?yàn)榇嬖谝陨系膯?wèn)題，需要做改造，用戶的要**：
1. 取水站無(wú)人值守；
2. 沉淀池，高位水池水位自動(dòng)控制；
3. 有一定限度的節(jié)能。
考慮到取水站無(wú)人值守，選擇啟動(dòng)設(shè)備時(shí)著重可靠性，就選用軟啟動(dòng)器，每臺(tái)水泵配1臺(tái)，共3臺(tái)。沉淀池內(nèi)設(shè)有“高”“中”“低”3個(gè)水位點(diǎn)，用PLC根據(jù)沉淀池水位的高低來(lái)決定1臺(tái)水泵運(yùn)行或2臺(tái)水泵運(yùn)行，還可通過(guò)編程控制使3臺(tái)水泵使用的時(shí)間盡量相同。水泵的運(yùn)行信號(hào)，故障信號(hào)通過(guò)電纜送到水處理站顯示。取水站的抽水水位比水泵安裝位置低2米，水泵初次起動(dòng)或停止后再起動(dòng)，都可能形成“真空”而吸不上水，原來(lái)的方式是靠人工注水，注水過(guò)程中打開(kāi)排氣閥將管道和水泵中的空氣排除后再起動(dòng)。無(wú)人值守后必須自動(dòng)地完成注水排氣這個(gè)過(guò)程，否則抽不上水的水泵長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)損壞。為滿足自動(dòng)注水排氣,須檢測(cè)管道內(nèi)有無(wú)“真空”，其方法一是直接用真空表檢測(cè)管道內(nèi)“真空”；另一種方法采用間接檢測(cè)方式，即檢測(cè)水泵電機(jī)的運(yùn)行電流。如果管道有“真空”，則電機(jī)近似于空載運(yùn)行，電流較小；如果管道沒(méi)有“真空”，則電機(jī)接近滿載運(yùn)行，電流基本上為額定電流，二者的差值較大。本例中，水泵電機(jī)30kW，滿載電流56.4A，管道有“真空”時(shí)電機(jī)電流為25A。水泵起動(dòng)時(shí)，用電流檢測(cè)模塊測(cè)量電機(jī)的電流，將此值送往PLC，將電流數(shù)值門限定在35A上。電機(jī)電流值高于35A，表示管道沒(méi)有“真空”，起動(dòng)成功繼續(xù)運(yùn)行；電機(jī)電流值低于35A時(shí)，停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，PLC輸出信號(hào)，打開(kāi)注水和排氣電磁閥，注水和排氣同時(shí)進(jìn)行，排出管道內(nèi)的空氣，3～5分鐘后，重新再起動(dòng)一次。如果電機(jī)電流值仍低于35A，重復(fù)上述電機(jī)停車，再次注水和排氣，3～5分鐘后，再次進(jìn)行起動(dòng)。這樣的起動(dòng)過(guò)程可進(jìn)行3次，如果3次都不能起動(dòng)水泵，則表示水泵，電機(jī)或抽水管道有問(wèn)題（如底閥處有異物），PLC給出報(bào)警信號(hào)，通知值班人員處理。本例采用的是后一種方法，需要在管道上加裝注水和排氣電磁閥。整個(gè)設(shè)備裝在控制柜中，控制柜安裝在取水站。取水站控制系統(tǒng)如圖1所示
圖1 取水站控制系統(tǒng)圖
為節(jié)能考慮，水處理站往高位水池送水的水泵用變頻器驅(qū)動(dòng)，高位水池的水位信號(hào)也通過(guò)電纜送到水處理站，與變頻器組成一個(gè)水位閉環(huán)控制系統(tǒng)，適當(dāng)調(diào)節(jié)水位閉環(huán)控制系統(tǒng)的給定，可有不錯(cuò)的節(jié)能效果。
三. 節(jié)能效果
高位水池的容積有400立方米，如果關(guān)閉高位水池出水閥門，45kW水泵工作4小時(shí)可將高位水池抽滿，消耗的電能為
采用變頻器后，調(diào)節(jié)給定值使水泵到高位水池的出水有較小的富余揚(yáng)程，由水泵相似性原理：
（3）
式中： n—水泵額定轉(zhuǎn)速， n1--水泵調(diào)節(jié)后轉(zhuǎn)速，
H—水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程， H1--水泵調(diào)節(jié)后揚(yáng)程，
Q--水泵設(shè)計(jì)流量， Q1--水泵調(diào)節(jié)后流量，
P---水泵設(shè)計(jì)軸功率， P1--水泵調(diào)節(jié)后軸功率。
調(diào)節(jié)變頻器的頻率在43Hz，由公式（3）水泵調(diào)節(jié)后揚(yáng)程H1為水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程H的74%，已無(wú)較多的富余揚(yáng)程，水泵調(diào)節(jié)后流量Q1為水泵設(shè)計(jì)流量Q的0.86，45kW水泵工作4.65小時(shí)可將高位水池抽滿，所消耗的電能為
抽滿一池水降低電耗42.8kWh。實(shí)際上，不可能關(guān)閉高位水池出水閥門，一般情況是水泵在向高位水池供水時(shí)，也同時(shí)給用戶供水。每天的節(jié)能可從用戶的用水量估計(jì)。流量表上顯示，該用戶每天用水量在800立方米左右，按800立方米計(jì)算，每天節(jié)電85.6kWh，年節(jié)電85.6×365=31244kWh。
高位水池的水位控制如圖2所示，變頻水位控制系統(tǒng)圖如圖3所示。
圖2 水位控制示意圖
圖3 變頻水位控制系統(tǒng)圖
圖中：K—起動(dòng)/停止，PT—水位變送器，水位給定由鍵盤操作，變頻可切換為任一臺(tái)水泵運(yùn)行。
四. 結(jié)語(yǔ)：
液位控制的事例現(xiàn)實(shí)中比比皆是，用得較普遍的就是高位水池的自流供水，本例中采用軟起動(dòng)器和變頻器組成的液位控制系統(tǒng)。兩種系統(tǒng)各有優(yōu)勢(shì)，變頻器構(gòu)成的系統(tǒng)可以是恒液位控制系統(tǒng)，并且，還有一定的節(jié)能效果。節(jié)能的多少與水泵富余揚(yáng)程和用戶用水量的大小有關(guān)。水泵富余揚(yáng)程越大，用戶用水量越大（在水泵能夠提供的*大流量范圍內(nèi)），節(jié)能越顯著。