水位、水泵的控制方式與節(jié)能的關(guān)系

? 水位(水壓)控制的目的是為了保持水泵供水流量的穩(wěn)定，實質(zhì)是個保持物料的平衡問題。不管采用什么調(diào)節(jié)、控制手段，最終結(jié)果反映的仍然是水泵的耗電。

????為什么連續(xù)控制比斷續(xù)控制效果好，可從以下幾方面來看:
??? 一．從控制的質(zhì)量要求
??? 雙位控制的過渡過程是斷續(xù)控制作用下的等幅振蕩過程。被控量水位總在上、下限之間振蕩，如果設(shè)定的水位上、下限范圍越小，或者用水量越大，其振蕩頻率越高，則水泵的啟、停越頻繁，對電網(wǎng)和機(jī)械的沖擊越大；這樣的控制系統(tǒng)水泵是斷續(xù)運轉(zhuǎn)的，對水位也是斷續(xù)控制的。
??? 如果采用連續(xù)控制，則被控量水位是可以連續(xù)地被控制，由于反饋控制是按水位的偏差進(jìn)行控制，偏差是控制的依據(jù)，只要水位偏離給定值，系統(tǒng)就會產(chǎn)生控制作用，力圖消除偏差的存在，所以其能將水位穩(wěn)定在我們所要求的設(shè)定值上。也就是說變頻調(diào)速供水系統(tǒng)能夠通過PI控制功能，自動地保持供水與用水之間的平衡。其控制精度高，水位波動小。這樣的控制系統(tǒng)水泵是連續(xù)運轉(zhuǎn)的, 對水位也是連續(xù)控制的。

??? 二．從水泵的節(jié)能效果看
??? 用得最普遍的是離心式水泵，離心式水泵屬于平方律負(fù)載。水泵最主要的參數(shù)是流量和揚程，供水功率與流量和揚程的乘積成正比。我們先了解下?lián)P程特性和管阻特性。揚程特性反應(yīng)了用水流量的大小對揚程的影響，即用水量越大，則供水系統(tǒng)的揚程將越小；水泵的轉(zhuǎn)速下降，其供水能力也會下降，揚程特性將下移。而管阻特性就是為了在管路內(nèi)得到一定的流量所需要的揚程；管阻特性與管道粗細(xì)、長短，閥門開度有關(guān)。
??? 通常對水泵的流量調(diào)節(jié)有閥門調(diào)節(jié)和調(diào)速調(diào)節(jié)兩種方式，我們來看看其是怎樣運行的。
??? 1．變閥門調(diào)節(jié):
??? 啟動水泵后，觀察水泵出口的壓力，根據(jù)壓力表指示來開大或關(guān)小水泵出口閥門來調(diào)節(jié)流量，而水泵的轉(zhuǎn)速則是保持不變的(即大多為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速)。其實質(zhì)就是水泵本身的供水能力不變，而是通過改變水路中的管阻大小來改變流量，以滿足用水量，這時管阻特性會變化，但揚程特性是不變的。啟、?？刂凭褪菍儆陂y門控制的形式，只不過固定閥門開度后，而不常去調(diào)節(jié)閥門開度而已。
??? 2．變速度調(diào)節(jié):
??? 用變頻器對水泵進(jìn)行調(diào)速，則是通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而水泵出口閥門是全開的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是通過改變水泵的供水能力來適應(yīng)生產(chǎn)對流量的需求，當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時，揚程特性將會改變，而管阻特性是不變的。
??? 比較以上兩種方式，在所需流量小于額定流量的情況下，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時的揚程將減小，而閥門調(diào)節(jié)時的揚程將增大。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)所需要的供水功率比閥門調(diào)節(jié)方式小得多，`因為此時水泵的效率幾乎不變，流量隨轉(zhuǎn)速按一次方規(guī)律變化，而軸功率按三次方規(guī)律變化。即電動機(jī)的負(fù)載功率為:

?這就是變頻調(diào)速供水有節(jié)能效果的原因。但這只是個理想公式，其并不能代表變頻調(diào)速的節(jié)能效果有如此之好，原因是異步電動機(jī)在輕載時的效率與功率因數(shù)都較低。再者供水系統(tǒng)是由多個環(huán)節(jié)組成的；還有就是變頻器的參數(shù)如果調(diào)整得不佳，仍會出現(xiàn)“大馬拉小車”的情況，這些問題對節(jié)能效果都是有影響的。再者閥門調(diào)節(jié)和變頻調(diào)節(jié)時的空載功率也不可能完全一樣，只是其屬于共有的, 所以我們可以將其忽略不進(jìn)行比較而已。

??? 三．常規(guī)計算法的節(jié)電對比
??? dlr設(shè):水泵的軸功率?????? P1=10KW
????????? 帶水泵電機(jī)的效率? η1=0.95
????????? 變頻器的效率????? ηb=0.98
??? 1．變閥門調(diào)節(jié)的電耗估算:
??? 按網(wǎng)友說水泵的起、停5－10分鐘一個周期，我們假設(shè)水泵一天累計運行8小時，則一年的運行時間為2920小時。變閥門調(diào)節(jié)時，軸功率不變，則電機(jī)消耗的功率為:
??? P=P1／η1=10／0.95=10.526KW
??? 則變閥門調(diào)節(jié)一年的運行電耗為:
??? 2920×10.526=30735.92KW
??? 2.變速調(diào)節(jié)的電耗估算:
??? 使用變頻調(diào)速，由于是連續(xù)運行，所以其工作時間為8760小時，由于系連續(xù)供水，其供水流量只需要原來的1/3就可滿足使用要求，故水泵轉(zhuǎn)速在33%以下的時間居多，考慮到各因素影響，計算時采用供水流量為35%。在起泵初期及運行中突遇大量用水，水泵全速供水仍會占一定比例，我們這樣來估算，100%流量供水占總運行時間的20%, 35%流量供水占總運行時間的80%。則可以這樣估算:

則變速調(diào)節(jié)一年的運行電耗為:
??? 8760×1×(10.741×0.2+0.460×0.8)=22041.9KW
??? 因此10KW的電機(jī)，變速調(diào)節(jié)方式比變閥門調(diào)節(jié)方式可節(jié)約的年運行電耗為:
??? 30735.92-22041.9=8694KW
??? 有文獻(xiàn)介紹，在節(jié)能計算比較時，建議采用曲線擬合的計算方法，這樣比常規(guī)計算法，更能得到符合實際的結(jié)果。
??? 水泵大多在20Hz狀態(tài)下運行能供出水嗎?答案是肯定可以的。因為dlr在實施10T/h鍋爐項目中，為了安全曾將給水泵變頻器的下限頻率設(shè)為10Hz，但在用汽負(fù)荷很小時，水位投自控時，當(dāng)調(diào)節(jié)器已無輸出，但水泵由于有10Hz的頻率，仍在慢慢轉(zhuǎn)動向鍋爐供水，嚴(yán)重時可使水位達(dá)到100%以上。

???? 四．從機(jī)械性能來比較
???? 變閥門調(diào)節(jié)，電機(jī)的起動是全壓起動，這樣對電網(wǎng)的影響就大。起動時水泵由于加速過快，會產(chǎn)生“水錘效應(yīng)”；而在停機(jī)時由于停機(jī)過快會產(chǎn)生“空化現(xiàn)象”。這樣將造成供水系統(tǒng)及管路振動大、噪音也大，由于水泵是全速運轉(zhuǎn)，故機(jī)械磨損也大。
???? 而采用變速調(diào)節(jié)時，則可對水泵進(jìn)行軟起動和軟停車，可做到起動平穩(wěn)，起動電流可控制在電機(jī)的額定電流以內(nèi)，減少了起動時對電網(wǎng)的沖擊，同時調(diào)節(jié)水量容易，還節(jié)約電能；停機(jī)時還可減少水錘效應(yīng)的沖擊，以減少沖擊力對管道及水泵的損害，提高了供水系統(tǒng)的安全性。由于調(diào)速運行還可以降低水泵的機(jī)械磨損及噪音，可延長設(shè)備的使用壽命，減少了維修工作量和費用。

???? 五．要從使用現(xiàn)場的具體情況出發(fā)
???? 水位控制的目的是為了保持供水流量的穩(wěn)定，所以用什么樣的控制系統(tǒng)，采用什么形式的流量調(diào)節(jié)手段，應(yīng)該說與使用現(xiàn)場的工況有很大的關(guān)系，與被控對象的特性有很大的關(guān)系，我們在這兒泛泛的談?wù){(diào)節(jié)問題、控制問題、節(jié)能問題，只是談一些基本的原理及方法，但其與實際應(yīng)用是有很大差別的。
??? 針對水泵液位控制系統(tǒng)，什么場合要用變頻器(或電動、氣動調(diào)節(jié)閥)來進(jìn)行連續(xù)控制?什么場合要采用對水泵的啟、?？刂?都應(yīng)該按生產(chǎn)的需求來選擇控制方案。常見的大致有:
??? 1．如果水泵一直是處于滿負(fù)荷運行的，來談節(jié)能是不可能的，只有當(dāng)用水的實際流量小于額定流量(100%)時，變頻器才有用處，這時轉(zhuǎn)速的變化(下降)才會有節(jié)能效益。對于這樣的工況唯一能做的就是選用軟起動器來控制電機(jī)的啟動電流及減少沖擊。
??? 2．一般供水系統(tǒng)都具有緩沖裝置(如水箱、水槽等)來穩(wěn)定用水流量的波動，因此就有對水位的檢測問題，這才有了水位的控制需求。對于容積較大的設(shè)備，液位就相對較穩(wěn)定，如:一個水塔抽一次水就可以供應(yīng)用水?dāng)?shù)小時，一天才需要抽幾次水，這樣的系統(tǒng)采用斷續(xù)控制就可達(dá)到目的了，只需用液位傳感控制器，來控制水泵的啟、停。為了減少啟動電流及克服水錘效應(yīng)，選臺軟啟動器更好；變頻器在這兒發(fā)揮不了作用。
??? 對于1、2兩種情況由于水泵是全壓、全速的運轉(zhuǎn)，水泵的機(jī)械磨損及噪音就大。
??? 3．對需要連續(xù)供水的場合，如鍋爐汽包水位，自來水或小區(qū)供水等場合。這樣的系統(tǒng)水泵幾乎是一直運行的，為保持水位的穩(wěn)定，應(yīng)選擇連續(xù)供水的水位(水壓)的PID控制系統(tǒng)。從節(jié)能出發(fā)，最好的方法就是采用變頻調(diào)速了。
??? 所以說選擇什么控制方式，并沒有一個固定的模式，只要根據(jù)現(xiàn)場的具體情況，進(jìn)行分析比較就可以選擇出最符合實際的控制方案來實施。

??? 六．結(jié)論
???? 1．如果水泵運行時間長，則選擇連續(xù)運行控制的變頻調(diào)速是可以節(jié)省電能的。甚至可降低維修費用。象樓主的水泵起、停5－10分鐘一個周期，這樣的系統(tǒng)應(yīng)該說起、停還是算比較頻繁的了，因此選擇變頻器來進(jìn)行連續(xù)控制效果是會很好的。
??? 2．如果水泵運行時間很短，而水泵停機(jī)時間又較長時，則沒有必要選擇變頻調(diào)速(電動、氣動調(diào)節(jié)閥)來進(jìn)行連續(xù)控制。但可考慮用軟起動器來解決水泵電機(jī)的起動問題，以減少起動電流對電網(wǎng)的沖擊，對防止水錘、汽化效應(yīng)是有好處的。
??? 3．對于用電動(氣動)調(diào)節(jié)閥來控制水位的系統(tǒng)，仍然是屬于變閥門調(diào)節(jié)方法。對這樣的系統(tǒng)可采用變頻調(diào)速來控制供水母管的壓力，也是可以節(jié)能的。