摘要：水泵用電量占取、送水泵站大部分的能源消耗。對于這樣大的用電領(lǐng)域，準(zhǔn)確確定出其節(jié)電潛力，并對節(jié)能潛力好的泵站加以改造，避免粗放性節(jié)能估算造成節(jié)能改造效果不能保障的問題，就顯得非常重要。本文以能準(zhǔn)確測算泵站節(jié)能效果并能實施量化節(jié)能控制的泵站目標(biāo)電耗節(jié)能技術(shù)在泵站中的應(yīng)用進(jìn)行探討。
　　關(guān)鍵詞：水廠；泵站；節(jié)能
　　1引言
　　給水行業(yè)的配水、增壓泵站進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)改造后,經(jīng)過運(yùn)行,普遍發(fā)現(xiàn)在使用過程中存在以下問題:
　　(1)在滿足用戶的需水量及保證供水壓力的情況下,開并聯(lián)泵組時,水泵節(jié)電很少甚至不節(jié)電;一臺調(diào)速泵運(yùn)行時,節(jié)電很少或不節(jié)電。
　　(2)當(dāng)工況點(diǎn)、管網(wǎng)參數(shù)等情況發(fā)生變化后,且在泵站系統(tǒng)滿足工況條件下,調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象,從而造成節(jié)能效果不能保持最低的單位電耗值。
　　針對供水行業(yè)的使用情況,許多人盲目的把變頻調(diào)速設(shè)備當(dāng)作節(jié)能設(shè)備來看待,實際上對變頻技術(shù)根本不清楚,也沒有確切衡量節(jié)電效果的準(zhǔn)確尺度。對此,本文討論在并聯(lián)泵組中,機(jī)組如何合理搭配運(yùn)行以及使用調(diào)速方式,采用力控組態(tài)軟件+PLC控制技術(shù),解決對泵站節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的量化問題。
　　2泵站節(jié)能技術(shù)控制理論
　　2.1控制原理
　　在泵站系統(tǒng)的工藝參數(shù)(流量、壓力)、設(shè)備參數(shù)(水泵、電機(jī)、調(diào)速裝置)等確定的情況下,采用最小二乘法理論找出H-Q之間的函數(shù)關(guān)系,運(yùn)用并聯(lián)泵組特性曲線擬合法,自動找出一套耗能最小的運(yùn)行搭配和調(diào)速方式,即優(yōu)化泵組合方案(運(yùn)行搭配合理的泵組工況點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行在高效區(qū)間內(nèi))。該優(yōu)化泵組合方案并不一定是每臺水泵都能達(dá)到最優(yōu),只是指一個泵站內(nèi)水泵優(yōu)化組合后的總體效果,可以形象地把整個泵站內(nèi)已優(yōu)化組合后的每一泵組合方案看作一臺“水泵”。我們把泵組合方案稱為“虛擬水泵”,而這一臺“虛擬水泵”在一定壓力和流量下,用最小二乘法理論計算出“虛擬水泵”的特性方程和特性曲線為標(biāo)準(zhǔn),找出“虛擬水泵”高效區(qū)的范圍。當(dāng)“虛擬水泵”的工況點(diǎn)不在高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行時,控制系統(tǒng)可根據(jù)水泵調(diào)速的相似定理和等效率原理,通過設(shè)定參數(shù)自動調(diào)整變頻泵的運(yùn)行工況點(diǎn),使動態(tài)運(yùn)行“虛擬水泵”的工況點(diǎn)處在高效區(qū)內(nèi),此時單位流量耗能最小。控制原理如圖1所示。
　　
　　圖1能耗最小的合理運(yùn)行搭配和調(diào)速方式的控制原理示意圖
　　2.2泵站節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀
　　對泵站的參數(shù)(例如流量、壓力或液位)進(jìn)行控制，一是為了滿足生產(chǎn)的工藝要求，二是可以盡量減少能量的浪費(fèi)。目前人們經(jīng)常使用的方法有:一是使用調(diào)速裝置調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，來滿足工藝要求;二是通過大小泵搭配，來滿足不同工況下的要求;二是閥門控制;四是調(diào)節(jié)水泵葉一片角度的調(diào)節(jié)方式;五是通過回流或瀉放的調(diào)節(jié)方式。
　　從多年的實踐中體會到，雖然各種方式都可以實現(xiàn)滿足工藝條件下的調(diào)節(jié)和控制，但是不同的控制方式或是同一種控制方式下不同的控制策略都可能會帶來不同的耗電效果，有的耗電多有的耗電就少，這里有一個耗電最低(優(yōu)化)的運(yùn)行方法和方式。為了得到這個最佳的結(jié)果，就必須對泵站的電耗因素進(jìn)行定量研究，這里之所以提到定量而不是定性，是因為只有定量才可能對節(jié)能改造的經(jīng)濟(jì)性和實現(xiàn)性作出判別，這就是泵站量化節(jié)一能技術(shù)的本質(zhì)所在。
　　關(guān)于泵站量化節(jié)能的研究，我國在這方面已率先取得了實質(zhì)性進(jìn)展，其主要標(biāo)志是作為國家科技部重點(diǎn)科技成果推廣討一劃項目、國家發(fā)改委重大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項目一泵站目標(biāo)電耗節(jié)能技術(shù)及產(chǎn)品的研發(fā)成功。
　　3技術(shù)設(shè)計與實現(xiàn)
　　3.1泵站的工藝流程及控制流程
　　3.1.1泵站的工藝流程
　　哈爾濱制水有限責(zé)任公司供水三廠日供水能力65萬噸，是東北地區(qū)最大的水廠，擔(dān)負(fù)著全市80%以上的供水任務(wù)，是以松花江為水源的地表水廠。首先由二水廠抽取松花江水增壓后送至供水三廠，經(jīng)過混合、沉淀、過濾等工序處理后送至4個清水池，由只個送水泵站送往市區(qū)不同的管網(wǎng)，其中送水二泵站為引進(jìn)外資設(shè)備建設(shè)的，在三個送水泵站中送水量最大，使用設(shè)備最先進(jìn)，自動化程度最高，93年投入使用，配備了日本橫河集散控制系統(tǒng)(DCS),泵站高、低壓配電、水泵、電機(jī)、控制柜等全套設(shè)備為奧地利ELIN提供，7臺20LN型水泵，水泵電機(jī)功率650kW，其中4臺為定速水泵，3臺為變頻調(diào)速水泵。
　　配水水泵在清水池水位有效水深1.8m以上時,為自灌式;1.8m以下需進(jìn)行真空吊水。水泵開停臺數(shù),根據(jù)清水池的水位、服務(wù)壓力和流量的參數(shù)自動優(yōu)化組合,并把機(jī)泵的運(yùn)行狀態(tài)通過PLC的I/O接口及時傳送給力控組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫,使值班人員隨時監(jiān)控各機(jī)泵運(yùn)行情況;排水泵根據(jù)集水坑水位、真空泵根據(jù)真空吊水要求自動確定開、停泵。在電氣回路中,高、低壓開關(guān)柜倒閘均為人工操作,電量和儀表數(shù)據(jù)記錄自動傳輸,值班人員可從顯示屏上及時看到每一臺虛擬水泵的單位流量電耗值和其他參數(shù)。
　　3.1.2泵站的控制流程
　　泵站內(nèi)的機(jī)泵控制,可采用現(xiàn)場手動控制方式、半自動控制方式、全自動控制方式,運(yùn)行機(jī)泵出現(xiàn)故障時,備用機(jī)泵自動開啟。
　　設(shè)定“虛擬水泵”的參數(shù)(流量、壓力),顯示屏上同時顯示“虛擬水泵”的理論Q-H特性曲線和管網(wǎng)特性曲線。根據(jù)每一臺“虛擬水泵”對應(yīng)的理論單位流量電耗值,選擇“虛擬水泵”方案,并輸出所選的方案。在機(jī)泵起動前,系統(tǒng)自動檢測清水池水位狀態(tài)、泵停止?fàn)顟B(tài)、泵非故障狀態(tài)、泵運(yùn)行狀態(tài)、變頻器非故障狀態(tài)、閥門的位置狀態(tài)信號是否正常。若不正常,停止開泵;若信號正常,依次起動調(diào)速泵、定速泵,自動打開對應(yīng)出水閥門。“虛擬水泵”運(yùn)行正常后,可從顯示屏上監(jiān)控“虛擬水泵”理論特性曲線與該“虛擬水泵”實際疊加后動態(tài)特性曲線的擬合情況,值班人員很快能知道“虛擬水泵”工況點(diǎn)是否運(yùn)行在高效區(qū)。若“虛擬水泵”的實時單位流量電耗值超過理論單位流量電耗值,系統(tǒng)則發(fā)出聲、光報警信號,及時通知值班人員,用本地控制方式由值班人員手動控制調(diào)節(jié),使“虛擬水泵”的工況點(diǎn)運(yùn)行在高效區(qū)內(nèi)。若以上有任一信號不正確,管網(wǎng)壓力和流量即使?jié)M足要求,也不能開泵,同時發(fā)出報警信號。另外,每一臺機(jī)泵的運(yùn)行實時電流超過本身正常的額定電流,且延時8s時,發(fā)出故障報警信號,并緊急停泵。水泵若未能按程序操作,則報警。每臺水泵電機(jī)發(fā)生故障,都可以自動關(guān)閉對應(yīng)閥門,并發(fā)出故障報警信號,同時備用泵自行投入運(yùn)行。PLC接到關(guān)泵指令,先關(guān)閉對應(yīng)出水閥門,水泵再停止運(yùn)轉(zhuǎn)。排水泵的控制邏輯和高、低壓配電的監(jiān)控參數(shù)由PLC單獨(dú)控制。
　　
　　圖2程序監(jiān)控流程圖
　　3.2軟件的設(shè)計與實現(xiàn)
　　根據(jù)泵組合理運(yùn)行搭配及調(diào)速理論、控制流程,程序監(jiān)控流程圖如圖2所示。
　　4實際應(yīng)用
　　2003年9月，使用泵站目標(biāo)電耗節(jié)能控制系統(tǒng)對原有水泵設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。泵站目標(biāo)電耗節(jié)能控制系統(tǒng)山上位機(jī)、目標(biāo)電耗控制拒、在線節(jié)能控制軟件、組態(tài)軟件等組成。
　　上位機(jī)和目標(biāo)電耗控制柜通過MPI總線連接，目標(biāo)電耗控制柜由PLC、繼電器、端子等組成，和原有的DCS柜通過電纜進(jìn)行端子側(cè)連接。模擬量輸人如流量、壓力、液位、電流等為1-5V電壓信號，模擬量輸出如變頻器轉(zhuǎn)速控制信號為4-20mA電流信號，開關(guān)量輸出如開泵、關(guān)泵、開閥、關(guān)閥等，開關(guān)量輸人如泵運(yùn)行狀態(tài)、閥全開狀態(tài)、閥全關(guān)狀態(tài)等，通過電纜并聯(lián)或直接取代等方式與目標(biāo)電耗控制柜端子連接。
　　目標(biāo)電耗控制系統(tǒng)有計算機(jī)手動和計算機(jī)自動兩種控制方式，用戶可根據(jù)情況選擇使用。
　　目標(biāo)電耗控制系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的泵站，通過實時監(jiān)測流量、壓力、溫度等工藝參數(shù)，自動尋找并給出在滿足工藝要求條件下最優(yōu)化的機(jī)組組合及調(diào)速策略，實時保證泵站系統(tǒng)始終處于最省電的運(yùn)行狀態(tài)。
　　目標(biāo)電耗控制系統(tǒng)通過在線節(jié)能軟件調(diào)控，對泵站系統(tǒng)起到調(diào)節(jié)、穩(wěn)定作用，能夠?qū)Ρ谜鞠到y(tǒng)(水泵、電機(jī)和調(diào)速設(shè)備等)的運(yùn)行起到穩(wěn)定和延長設(shè)備使用壽命的多重效果。
　　目標(biāo)電耗控制系統(tǒng)能夠?qū)Ρ谜镜囊恍┲匾獏��?shù)進(jìn)行在線保存，對泵站實時和歷史運(yùn)行狀況一目了然，便于管理、分析和檢查。
　　對原有水泵設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行改造前，首先使用“泵站目標(biāo)電耗測算軟件”對送水二泵站系統(tǒng)進(jìn)行分析和測算，發(fā)現(xiàn)在原有工況下年均還有7%左右的節(jié)電潛力，9月份使用泵站目標(biāo)電耗節(jié)能控制系統(tǒng)對此水廠泵站進(jìn)行節(jié)一能改造，未使用泵站目標(biāo)電耗節(jié)一能控制系統(tǒng)前的6月份平均送水電單耗為136.56kWh/km3，總管壓力0.3-0.38Mpa，使用泵站目標(biāo)電耗系統(tǒng)后的10月份正常送水平均送水電單耗為129.44kWh/km3，總管壓力0.3-0.38Mpa，節(jié)電比例為5.21%，與去年同期比節(jié)電效果8.36%;使用泵站目標(biāo)電耗系統(tǒng)后的11月份正常送水平均送水電單耗為127.9kWh/km3，總管壓力0.3-0.38Mpa,節(jié)電比例為6.34%，與去年同期比節(jié)電效果工0.75%，實際效果與改造前的測算結(jié)果相符，節(jié)電效果顯著。
　　5結(jié)束語
　　實踐經(jīng)驗表明，使用泵站目標(biāo)電耗測算軟件對泵站系統(tǒng)進(jìn)行分析，可以比較準(zhǔn)確地知道泵站的節(jié)能潛力;使用泵站目標(biāo)電耗系統(tǒng)，可得到接近于預(yù)測的節(jié)能效果。說明該技術(shù)先進(jìn)，節(jié)能效果顯著，值得大力推廣應(yīng)用。
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