自來水廠變頻循環(huán)投切恒壓供水系統(tǒng)

1 概述

在自來水廠的供水泵站中，供水系統(tǒng)一般由若干臺揚(yáng)程相近的水泵組成，調(diào)節(jié)水壓和流量的傳統(tǒng)方法是，通過人工控制水泵運(yùn)行的臺數(shù)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(tǒng)工作時(shí)，傳統(tǒng)的方法是，若供水量較大時(shí)(顯然此時(shí)流量和管網(wǎng)水壓已經(jīng)不能滿足要求)，就需人工投入水泵，根據(jù)現(xiàn)場管網(wǎng)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(wǎng)水壓會升高，此時(shí)又需人工切除水泵。在深夜用水量較小時(shí)，為節(jié)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(yīng)，人工投切時(shí)，投入泵應(yīng)遵循“先開機(jī)，開閥”的操作程序，切除泵應(yīng)遵循“先關(guān)閥，后停機(jī)”的操作程序。若是小功率的水泵，水泵的出水側(cè)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(jī)時(shí)止回閥關(guān)閉前的瞬間還是有“水錘”效應(yīng)產(chǎn)生，而如果安裝的是“微阻緩閉止回閥”，則停機(jī)時(shí)基本上就不存在”水錘“效應(yīng)。

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(jié)的變化而變化，隨每日時(shí)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(tǒng)，即把壓力變送器裝在主管網(wǎng)上檢測管網(wǎng)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(gòu)成壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)，管網(wǎng)壓力的恒定依賴變頻器的調(diào)節(jié)控制。對于多泵情況，可以采用兩種不同的控制系統(tǒng)方案，一種是”順序控制方案”，系統(tǒng)圖如圖1 所示。另一種是“循環(huán)投切”方案，系統(tǒng)圖如圖2 所示。

圖1 中，BPI 是變頻器;BU2耀BU4 是軟起動器，PT是壓力變送器。由圖1 可見，變頻器連接在第1臺水泵電機(jī)上，需要加泵或減泵時(shí)，由變頻器端口輸出信號RO1~RO3 來起動或停止其他的水泵，這時(shí)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(diǎn)是水泵電機(jī)不需要在變頻和工頻之間切換;第1 臺水泵永遠(yuǎn)連接在變頻器上，沒有切換過程中的失壓現(xiàn)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(tǒng)，當(dāng)變頻器故障時(shí)，可用軟起動器手動起動水泵M2耀M4，以保證供水不致中斷;每臺電機(jī)都配有起動器，所以初始投資較大。

在圖2 中，BP1 是變頻器，BU1 是軟啟動器，PT是壓力變送器，ZJ1、ZJ2用于控制系統(tǒng)的起動/停止和自動/手動轉(zhuǎn)換。由圖2可見，變頻器連接在第1臺水泵電機(jī)上，需要加泵時(shí)，變頻器停止運(yùn)行，并由變頻器的輸出端口RO1耀RO3 輸出信號到PLC，由PLC控制切換過程。切換開始時(shí)，變頻器停止輸出(變頻器設(shè)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(yùn)行，變頻器連接到第2臺水泵上起動并運(yùn)行，依此，將第2 臺水泵切換到工頻運(yùn)行，變頻器連接到第3臺水泵上起動并運(yùn)行;需要減泵時(shí)，系統(tǒng)將第1 臺水泵停止，第2 臺水泵停止，這時(shí)，變頻器連接在第3 臺水泵上。再需要加泵時(shí)，切換從第3 臺水泵開始循環(huán)。這種方式保證永遠(yuǎn)有1 臺水泵在變頻運(yùn)行，4 臺水泵中的任1 臺都可能變頻運(yùn)行。這樣，才能做到不論用水量如何改變都可保持管網(wǎng)壓力基本恒定，且各臺水泵運(yùn)行的時(shí)間基本相同，這給維護(hù)和檢修帶來方便，所以，大部分的供水廠家都鐘情于循環(huán)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(yùn)行并切換到工頻過程中會造成管網(wǎng)短時(shí)失壓，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分地引起重視。另外，必須設(shè)置一套備用系統(tǒng)，圖中的軟啟動器就是作為備用。當(dāng)變頻器或PLC 故障時(shí)，可用軟起動器手動輪流起動各泵運(yùn)行供水。

3 循環(huán)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(yùn)行中帶載脫閘，切換過程應(yīng)按以下的程序進(jìn)行。將循環(huán)投切恒壓供水系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，當(dāng)變頻器的輸出頻率已達(dá)到50 Hz 或52 Hz(能否將變頻器的上限頻率設(shè)為52 Hz，取決于水泵電機(jī)運(yùn)行在52 Hz時(shí)是否超載)時(shí)，如果運(yùn)行60 s管網(wǎng)水壓還未達(dá)到給定值，此時(shí)，將該臺變頻運(yùn)行水泵需切換到工頻運(yùn)行。切換過程是，先關(guān)該臺水泵電動閥，然后變頻器停車(停車方式設(shè)定為自由停車)，水泵電機(jī)慣性運(yùn)轉(zhuǎn)，考慮到電機(jī)中的殘余電勢，不能將電機(jī)立即切換到工頻，而是延時(shí)一段時(shí)間，到電機(jī)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(shí)造成的切換電流沖擊較小，例如，在某水廠，160 kW水泵電機(jī)的切換時(shí)間為600 ms。連接在電機(jī)工頻回路中的空氣開關(guān)容量為400 A，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試，切換過程的電流沖擊較小，每一次切換都100豫的成功。關(guān)閥后停車，水泵電機(jī)基本上處于空載運(yùn)轉(zhuǎn)，到600 ms 時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降不是很多，使切換時(shí)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(yùn)行，再開電動閥。切除工頻泵時(shí)，先關(guān)閥，后停車，這樣無“水錘“現(xiàn)象產(chǎn)生。這些操作都是由PLC 控制自動完成。

實(shí)際上，電機(jī)的傳統(tǒng)起動方式也存在一定的電流沖擊。電機(jī)直接起動時(shí)，起動電流是額定電流的5耀7 倍，小功率的電機(jī)經(jīng)常采用直接起動方式，但電機(jī)功率較大時(shí)，常用星—三角或自耦減壓起動器。自耦減壓起動器起動電機(jī)時(shí)，首先加60%的電壓，屬恒頻調(diào)壓調(diào)速，數(shù)秒鐘或數(shù)十秒鐘后(根據(jù)電機(jī)的容量而定)，電機(jī)加速到60%電壓時(shí)的速度，這時(shí)將60%的電壓切除，電機(jī)立即連接到100%(380 V)電源上。切除60%電壓時(shí)，電機(jī)的速度較變頻器投到工頻時(shí)電機(jī)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(guān)容量一般都選得比較大。循環(huán)投切時(shí)，電機(jī)從變頻切換至工頻，只要切換的延時(shí)足夠，電機(jī)由變頻切換到工頻時(shí)的電流沖擊就不大。一般殘余電勢的衰減時(shí)間為1耀2 s，切換延時(shí)也不是越長越好，延時(shí)短，殘余電壓高，速度降落少;延時(shí)長，殘余電勢低，但速度降落大。選擇延時(shí)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(shí)現(xiàn)，但應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)上是否合算。

4 循環(huán)投切對變頻器和電機(jī)的影響

將電機(jī)從變頻狀態(tài)切換到工頻狀態(tài)時(shí)，變頻器內(nèi)的功率器件立即關(guān)閉，電機(jī)的電流不能跳變，功率器件旁的并聯(lián)二極管提供了續(xù)流通路，殘余電壓經(jīng)二極管整流器和中間環(huán)節(jié)電容流通，而轉(zhuǎn)子電阻消耗能量，電機(jī)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(shí)仍有一定的殘余電壓，但對變頻器影響已經(jīng)很小，對電機(jī)壽命也無多大的影響。自耦減壓起動器切換時(shí)，電機(jī)內(nèi)定子的殘余電壓無通路流通，只有轉(zhuǎn)子回路是閉合回路，也就是只有轉(zhuǎn)子電阻消耗能量，所以殘余電壓的衰減比較慢。這樣，切換時(shí)，因殘余電壓存在而形成的沖擊電流較大，對電機(jī)有一定的影響，在做電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮這些因素。

5 應(yīng)用實(shí)例

四川遂寧市自來水二廠，供水能力6 萬t/日，城市管網(wǎng)壓力0.4 MPa，泵組為3 臺160 kW，1 臺90 kW水泵，要求恒壓供水并采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控，變頻器或控制系統(tǒng)故障可由軟起動器手動起動各泵。

5.1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控內(nèi)容

計(jì)算機(jī)監(jiān)控原理如圖3所示。監(jiān)控的內(nèi)容有管網(wǎng)壓力，流量，泵的運(yùn)行狀態(tài)，閥啟閉狀態(tài)，電機(jī)溫度，各泵運(yùn)行的電流，電壓，功率和功率因數(shù)，并監(jiān)控水質(zhì)參數(shù)，如余氯，濁

度，含鐵量，PH值等。

5.2 原理框圖

采用循環(huán)投切方式的原理框圖如圖4 所示，備用系統(tǒng)采用一軟起動器和相關(guān)器件構(gòu)成。為保證系統(tǒng)的可靠性，上位機(jī)PC 用于管理，通過組態(tài)軟件做出若干工藝流程圖，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，并統(tǒng)計(jì)歷史數(shù)據(jù)，如需要可隨時(shí)打印報(bào)表;

還用于故障的報(bào)警和處理。PC機(jī)為研華工業(yè)計(jì)算機(jī)，PLC 為西門子S-7300，便于與總控室計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，采用帶有Profibus接口的CPU315.CP5611 通信模塊，PDM-820AC 電參數(shù)綜合分析儀用于檢測系統(tǒng)的用電量。水泵的起/停、切換及閥的啟/閉;電機(jī)電流，溫度的檢測，水泵使用時(shí)間的統(tǒng)計(jì);壓力，流量，水質(zhì)參數(shù)的采集等，均由PLC 完成。水壓的給定值由變頻器鍵盤設(shè)定。

圖4 與前述的循環(huán)投切方案基本相同，BP1為160 kW 變頻器，DZ1耀DZ6 為LG ABE403a 400 A空氣開關(guān)，F(xiàn)U1 500A 及FU2 600 A 為快熔，KM1耀KM10為LG GMC-400交流接觸器，PT選用的是森納斯壓力變送器，量程1 Mpa。系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，水泵電機(jī)從變頻狀態(tài)切換到工頻狀態(tài)，延時(shí)從300 ms起，到500 ms時(shí)電流表顯示也無明顯的沖擊，最后定為600 ms。軟起動器設(shè)定為限流起動方式，設(shè)定為2.5倍。軟起動器起動時(shí)，起動電流接近800 A，但在30 s內(nèi)下降到額定電流以下，查600 A熔斷器曲線，通過1 000 A 電流在60 s熔斷，所以軟起動器的熔斷器定為600A。該系統(tǒng)已經(jīng)投產(chǎn)兩年，每日供水4-5萬t，運(yùn)行良好。據(jù)廠家統(tǒng)計(jì)，電耗/t減少20%。

6 結(jié)語

多泵變頻恒壓供水系統(tǒng)常用的兩種方案各有優(yōu)劣，采用循環(huán)投切方案的系統(tǒng)較多，在水泵電機(jī)從變頻狀態(tài)切換到工頻狀態(tài)時(shí)，只要嚴(yán)格遵循“先關(guān)閥，變頻器自由停車，延時(shí)后再切換;停車時(shí)，先開機(jī)，后開閥”的操作程序，就既可保證變頻器的安全運(yùn)行，又無“水錘”現(xiàn)象發(fā)生。