水泵的节能控制

水泵的节能控制

摘要:针对目前使用泵房水泵效率低、耗能严重的现状, ，研究了闭环变频调速系统在供水行业中的适用性和经济性，以实现自动操作的节能生产模式。另介绍了射流--尾迹三元流动理论在水泵节能上的应用。

关键词：射流--尾迹三元流动水泵节能改造闭环变频1、现行水泵控制存在的问题

目前，大多数水厂均采用一台变频调速水泵和几台工频恒速水泵并联运行的水泵系统。由调度人员根据城市管网各分布测压点的数据，通知水厂人工将变频器输出频率调整到一定水平或切换工频泵组数量。这种控制方式存在着以下问题：

（1）由于季节、天气和生产需求的变化，用水量的需求波动较大（水压过低则不能满足要求，水压过高则造成能源浪费）；

（2）供水压力变化范围大；

（3）由于用水量的大幅波动，操作人员要随时根据需要开、停泵组，人工优化组合开机数量；泵组起停频繁造成水压波动较大，对电动机、管网的使用寿命均有较大影响；

（4）泵组的开、停使管压为台阶式变化，时高时低，供水质量差，电耗高，爆管及维修费用增加；

（5）泵组起动频繁，冲击电流大，对电动机和机械寿命均有不利影响，浪费电能。

因此，对水泵机组进行自动化恒水压控制系统改造、统一监控管理是现代化水厂的必然选择。

2、改进方案的设计原则及控制方式和水平

本方案采用闭环变频调速变恒水压控制系统，以系统的安全性、灵活性及方便的操作性为性能指标，在经济合理的前提下力求实现高效节能和高可靠性，同时减轻工作人员劳动强度，提高生产效率和综合自动化控制水平。

本方案采用可编程序控制器PLC作为检测和控制核心，以变频调速器为执行设备，根据供水经验以相应时期和时段的压力值为目标设定值，管网水压为目标值的闭环控制方式对3台（以一拖三为例）供水泵组进行自动化控制，变恒水压供水，自动运行，手动后备，联锁控制。

本方案通过对3台泵组进行变频加工频模式全自动控制，稳定管网水压，达到恒水压供水的目的。控制室人员通过控制屏可进行泵组的开停操作、恒水压控制设定、水压监控、水压异常报警、泵组运行异常报警等对被控对象进行控制监视和事故处理。

3、控制系统的结构和功能

3.1 系统组成

系统框图如下图所示。在泵站设一中规模PLC控制器，用于控制交流变频调速器恒水压供水系统和负责泵站各种电气、水压等参数的监控，也可进一步与上位监控站联网通讯，实现智能控制。

在恒水压供水时，先人工设定PLC控制器压力目标值，PLC控制器根据压力传感器反馈信号与设定值比较来决定调节变频器的频率、电压输出。若水压仍未达到设定值时，PLC通过变频、工频运行切换（如切断K1，接通K4、K2）使原泵组转为工频运行，同时使另一泵组处于变频调节状态，进行闭环调节直至压力平衡，反之亦然。3.2 控制功能

（1）通过调节开、停工频泵组数量和变频调速泵的转速，达到调节并稳定管网水压的目的；

（2）以管网水压参数为控制目标，达到节能供水；

（3）3台泵组均为软起动工作，减少了起动电流冲击和机械磨损，延长了设备的使用寿命；

（4）以“先入先出”原则对3台水泵进行优化组合，循环投入或切换，使各泵高效工作并磨损均匀；

（5）泵组的变频、工频运行实现无扰动切换；

（6）每台泵组的后备手动现场控制功能确保了在故障情况下能不间断供水；

（7）具有水压异常和泵组异常报警功能。

4、射流--尾迹三元流动理论介绍

三元流技术，实质上就是通过使用先进的泵设计软件《射流一尾迹三元流动理论计算方法》，结合生产现场实际的运行工况，重新进行泵内水力部件(主要是叶轮)的优化设计。具体步骤是：根据用户的实际情况，先对“在用”离心泵的流量、压力、电机耗功等进行测试，并提出常年运行的工艺参数要求，作为泵的设计参数；再使用泵设计软件设计出新叶轮，保证可以和原型互换，在不动管路电路、泵体等条件下实现节能或扩大生产能力的目标。

4.1一元、三元流动基本概念

图1左边是叶轮的局部视图，图l右边是把叶轮内两个相邻叶片和前、后盖板形成的流道abcdefgh作为一个计算分析研究的单元。aehd、bfgc是两个相邻的叶片，dcnghid是叶轮前盖板，bkfeja是叶轮后盖板。传统的“一元流理论”，就是把叶轮内的曲形流道abcdefgh，视为一个截面变化的弯曲流管，认为沿流线的流速大小仅随截面大小而变化，但假定在每个横断面上如abcd、ijkn、efgh等等，流速是相同的。这样在流体力学计算中，流动速度( w)就只是流线长度坐标(s )的一元函数。这种简化使泵内部流体力学的计算可以用手工算法得以实现。国内电厂广为采用的双吸水平中开泵，就是采用这种理论设计的。

然而由于叶轮流道abcdefgh的三元曲线形状又是高速旋转的，流速(或压力)不但沿流线变化，而且沿横截面abcd、ijkn、efgh等等，任一点都是不相同的，即流速是三元空问圆柱坐标(R、¢、Z)的函数。特别是叶片数也是有限的，流速和压力沿旋转周向(¢坐标)的变化，正是水泵向流体输入功的最终体现，忽略这一点就无法计算水泵内部的压力变化，这也就是为什么一元流动理论只能计算叶轮进口、出口参数，而不能准确分析叶轮内部流动参数的原因。水泵的效率显然与其内部流动状况的好坏是密不可分的，一元流理论固然简单，但不能完全反映泵内的真实流动，这就在设计上阻碍了泵效率的提高。

4.2 “射流一尾迹”三元流动

最早在航空用离心压气机中，用激光测速技术观察到“射流一尾迹”现象，如图2所示，弧状弯曲线dh和分别代表两个相邻的叶片，比为叶片进口边，hg为叶片出口边，为叶片进口流速，为叶片出口流速，都是不均匀的。t是流动分离点，htv即是尾迹区，是一些低能量流体组成，类似一个旋涡。cdtvg则是射流区可视为无粘性的位流区，

可按通常的三元流计算。

关于尾迹区的计算，目前还没有准确的方法，只能依靠半经验的方法加以计算，详见参考文献。研究表明，由于粘性和压力梯度的存在，泵轮出口沿叶片吸力面及前盖板表面都会有流体的脱流，形成“尾迹”区——它们不但消耗了有用功，降低泵效率，而且由于流道的堵塞，使流量减少。这些都是一元流动理论无法预测和分析的，只有通过“射流一尾迹三元流动”计算才能得出定量分析，这样才能使我们通过改善叶轮内流动状态，减少进口冲击和出口尾迹脱流等损失，使泵效率真正得以提高。

5、结语

闭环变频调速范围宽，对稳定管压、提高供水量有利；平滑的启动和调速减少了对电动机和机