第六讲：循环水系统的变频调速
变频调速在石化企业循环水温控系统中的应用
变频调速在石化企业循环水温控系统中的应用摘要：本文介绍了石化企业冷却塔风机上使用变频器，使变频风机和工频风机配合运行，调节风量来精确地控制循环水温度，同时降低能耗。
关键词：循环水；风机；变频调速器PLC前言变频调速以其优异的性能，在国内外得到广泛的应用。
石化企业的冷却塔负责生产装置循环水的冷却工作，冷却效果的好坏直接影响到生产装置产品质量和运行效率。
循环冷却水系统是石油化工行业的一个主要耗能系统，风机耗电总量一般占总电量的15%～20%，由于循环水系统存在的设计余量较大及设备老化等方面情况，造成循环水系统的运行非最优运行方式，存在进行整体节能挖潜和节能改造的潜力和必要。
2014年，在循环水冷却塔风机上安装2台变频器，变频风机和工频风机配合运行，通过PID闭环来控制水温，解决了水温波动大的问题，并降低了能耗。
1.循环水冷却塔运行情况天津石油化工生产装置用的循环水由6座冷却塔组成冷却系统，每座冷却塔有一台风机，配套功率200 kW，转速127r/min。
循环水经过生产装置换热后，温升约为（6—10）℃，经过地下管道汇集到总管，然后分6路上各个冷却塔顶部，在冷却塔中经风机冷却后，汇集到吸水池，再经水泵升压后送至生产装置。
根据设计，循环水冷却后的回水温度低于32℃即可满足生产需要。
由于华北地区四季、昼夜温差大，经常需要调整增减风机运行台数的方法来调整冷却塔风量。
通过开停风机控制水温，水温波动大，温度变化滞后；风机开停频繁，对电机和电网造成冲击。
另外，经常出现多开一台风机风量富余，少开一台风机风量不足的情况，由于多开一台风机造成能耗的浪费。
2.变频控制系统的工作特性2.1变频控制系统的工作特性在两台循环水冷却塔风机上安装变频器，综合优化控制程序和调速控制设备，根据生产要求水温、环境温度变化、风机气动性能、冷却塔填料冷却性能，叶片工作状态等影响因素，优化控制循环水系统的风机运行，对部分风机调速控制，对部分风机启停控制，达到节能效果的优化。
水泵变频调速时的原理
水泵变频调速是通过调节电动机的供电频率来控制水泵的转速，从而实现流量和扬程的调节。
这种调速方式的基本原理如下：1. 电动机的原理：电动机的转速与供电频率成正比。
当供电频率增加时，电动机的转速也会相应增加；反之，供电频率降低时，电动机的转速也会降低。
2. 频率与转速的关系：变频调速器通过改变供电频率，可以精确控制电动机的转速。
对于感应电动机，转速与频率之间的关系可以通过以下公式表示：\[ n = (1 - \text{滑差率}) \times \text{同步速度} \]其中，\( n \) 是电动机的转速，\( \text{滑差率} \) 是电动机的滑差率，\( \text{同步速度} \) 是电动机的同步速度，同步速度与供电频率成正比。
3. 滑差率：滑差率是电动机在运行过程中由于转子与定子之间的相对滑动而造成的速度损失。
在变频调速中，通过调整供电频率，可以改变滑差率，从而控制电动机的转速。
4. 变频调速器：变频调速器是控制供电频率的关键设备。
它可以将标准的固定频率电源转换为可调的变频电源，供送给电动机。
变频调速器通常包括整流器、滤波器、逆变器等部分，其中逆变器是调节频率的关键。
5. 控制系统：在变频调速系统中，通常还需要一个控制系统来监测和调节电动机的转速。
这个系统可以是一个简单的开关，也可以是一个复杂的自动化控制系统，如PID控制器，它可以根据实际的流量和扬程需求自动调整供电频率。
6. 节能效果：变频调速不仅可以精确控制流量和扬程，还可以根据实际需求调整电动机的供电频率，从而节省能源。
与传统的阀门调节相比，变频调速可以减少不必要的能量消耗，提高系统的整体效率。
总之，水泵变频调速是通过改变电动机的供电频率来控制转速，实现流量的精确调节和能源的有效利用。
这种调速方式不仅可以提高水泵的性能，还可以减少能源消耗，具有显著的节能效果。
变频调速给水
变频调速给水1.1概述常用的加压供水方式有高位水箱供水、气压供水、变频调速供水、管网叠压（无负压）变频调速供水和管网叠压（无负压）高水位水箱供水等。
其耗能、供水安全及防二次污染等方面的比较见表1。
常用供水加压方式比较表1注：1.表中P 1、P 2表示气压水罐的最低、最高工作摇篮，绝对压力（MPa ）；ΔP为实际压力波动值。
2.管网叠压（无负压）高位水箱供水方式中的高位水箱不同于高位水箱供水方式的水箱，应为采取了空气过滤装置的密闭水箱。
近年来，管网叠压（无负压）变频调速供水方式已在不少城市使用。
但是，该供水方式有一定的适用范围和局限性，不是万能的，不是哪种场合都能使用的。
故变频调速供水方式仍是目前应用较广的供水方式。
在应用中应合理选用水泵，加长水泵在高效区的工作时间，因地制宜，发挥其应有的节能效果。
变频调速供水方式适用于每日用水时间长、用水量经常变化的生活和生产给水系统，凡需要增压的给水系统及热水系统均可选用。
该供水设备的优点主要表现在设定水泵出水压力的情况下，水泵的出水量（用户用水量）可通过变频调速改变供电频率进而改变水泵转速来实现；供水压力一直被控制在设定的压力下，不会出现用水小时管网压力超过设定压力的现象。
缺点是当供水范围较小、用水变化幅度过大时，节能效果不明显，甚至不节能；对电源要求较高，必须可靠，保护功能要齐全。
变频调速给水设备是比较节能的设备。
它是利用控制柜内的变频器和微机来控制水泵的运行，使水泵按照实际运行参数（变化着的用户用水量和设定的水压）进行变频调速供水，把水泵工频运行时特性曲线中的多余功通过变频器调频节约下来。
变频调速泵的调泵范围在100%～75%之间，这就使得当水泵在小流量或零流量工况工作时，水泵的运行会落在低效区。
如果水泵长时间运行在低效区，则该给水设备不但不能节能、反而会浪费能量。
因此，对于像生活给水设备存在夜间小流量和零流量时间较长的装置，除了变频调速主泵外，还会配置小泵和气压水罐，采用时间继电器或流量监测装置来控制小泵和气压水罐的运行，一旦到了夜里设定的时间或用户的用水量减少到确定的某一数值时，给水设备自动切换到小泵和气压水罐联合工作。
水泵变频调速原理
水泵变频调速原理
水泵变频调速是利用变频器控制水泵的工作频率，进而调整水泵的转速的一种方法。
其原理是通过改变输入电压的频率来控制电动机的转速。
变频器是一种能够将固定频率交流电转换为可调频率交流电的电子设备。
在传统的水泵系统中，水泵的转速是由电源提供的固定频率交流电决定的，一旦电源的频率确定，水泵的转速也就确定了。
而采用变频调速技术后，可以通过改变电源的频率，实现对水泵转速的精确控制。
变频调速主要分为三个步骤：检测、控制和输出。
首先，检测部分通过传感器实时采集水泵转速的信息，将其转换为电信号，传送给变频器。
然后，控制部分根据设定的转速需求，通过对变频器进行编程，控制电源的频率和电压输出。
最后，输出部分将调整后的电源输出给电动机，从而改变水泵的转速。
当需要增加水泵转速时，变频器会提高输入电压的频率和电压，输出给电动机，从而使电动机转速增加。
反之，当需要降低水泵转速时，变频器会降低输入电压的频率和电压。
通过这种方式，可以实现对水泵转速的平稳调整。
水泵变频调速技术具有精确控制、高效节能和平稳运行等优点。
通过根据不同的工况需求，调整水泵的转速，可以提高水泵的工作效率，减少能源消耗，同时延长水泵的使用寿命。
因此，在工业生产和建筑应用中，水泵变频调速技术得到了广泛应用。
变频调速技术在供水系统中的应用
变频调速技术在供水系统中的应用变频调速技术是一种在供水系统中广泛应用的技术手段，其通过调整电机的转速来控制水泵的流量和压力，从而实现对供水系统的精确控制。
本文将从供水系统的需求、变频调速技术的原理和优势以及应用案例等方面进行探讨。
一、供水系统的需求供水系统是城市和农村中不可或缺的基础设施，用于为居民、企事业单位提供稳定的供水服务。
然而，传统的供水系统一般采用恒速运行的方式，无法根据实际需求进行灵活调节，存在能耗高、运行效率低等问题。
因此，需要引入变频调速技术来提高供水系统的运行效率和节能性。
二、变频调速技术的原理和优势变频调速技术是一种通过改变电机的输入电压和频率，从而调整电机转速的技术手段。
在供水系统中，通过变频器控制电机的输入信号，可以实现对水泵的转速精确调节。
这种技术具有以下几个优势：1. 节能高效：传统的供水系统采用恒速运行，无法根据实际需求进行调节，导致能耗浪费。
而变频调速技术可以根据实际需求动态调整水泵的转速，避免了过剩能耗，提高了供水系统的能效。
2. 精确控制：供水系统往往需要根据不同的用水需求来调节流量和压力，传统的供水系统无法满足这种要求。
而采用变频调速技术可以根据实际需求精确控制水泵的转速，从而实现对供水系统的精确控制。
3. 减少设备损坏：传统的供水系统由于无法根据实际需求进行调节，容易导致水泵的频繁启停，从而增加了设备的损坏风险。
而采用变频调速技术可以实现平稳启停，减少了设备的损坏风险，延长了设备的使用寿命。
1. 城市供水系统：在城市供水系统中，采用变频调速技术可以根据不同的时间段和用水需求，灵活调节水泵的运行状态，从而提高供水系统的运行效率和节能性。
例如，在用水高峰期可以提高水泵的流量和压力，而在用水低谷期可以降低水泵的流量和压力，以达到节能的目的。
2. 农田灌溉系统：在农田灌溉系统中，采用变频调速技术可以根据作物的生长需求，调整水泵的流量和压力，从而实现精确的灌溉。
例如，在作物生长初期可以提高水泵的流量和压力，而在作物生长后期可以降低水泵的流量和压力，以满足不同生长阶段的需求。
关于变频调速给水的基本原理-2019年精选文档
关于变频调速给水的基本原理1、何谓变频给水由水泵－管道供水原理可知，调节供水流量，原则上有两种方法；一是节流调节，开大供水阀，流量上升；关小供水阀，流量下降。
二是调速调节，水泵转速升高，供水流量增加；转速下降，流量降低，对于用水流量经常变化的场合(例如生活用水)，采用调速调节流量，具有优良的节能效果。
变频调速给水设备装置由气压罐、水泵、电控柜、压力控制器、安全阀、压力表、止回阀、闸阀及管道等组成一个完善自动给水装置。
当水泵启动后，通过补气罐及进气阀同时向罐内补气补水，随着水位的不断增高，罐内的气体体积不断浓缩；压力不断增高，当压力达到社定最高压力时，通过压力传感操纵水泵关闭。
在水泵停止运转的时间里，由于被挤压的空气具有膨胀力，挤压罐内的水具有一定压力而不断送至用户使用。
随着水的流出，罐内水的体积减少，空气的体积增大，既罐内压力逐渐降低，当罐内压力降到社定的最低压力时，通过压力传感操纵水泵启动，这样往返不断的停止起动至使管内达到理想的供水效果。
2、变频调速给水的优势(1)变频调速给水的供水压力可调，可以方便地满足各种供水压力的需要。
在设计阶段可以降低对供水压力计算准确度的要求，因为随时可以方便地改变供水压力。
但在选泵时应注意，泵的扬程宜大一些，因为变频调速其最大压力受水泵限制。
最低使用压力也不应太小，因为水泵不允许在低扬程大流量下长期超负荷工作，否则应加大变频器和水泵电机的容量，以防止发生过载。
(2)变频调速恒压供水具有优良的节能效果。
变频恒压供水节能的效果主要取决于用水流量的变化情况及水泵的合理选配，为了使变频恒压供水具有优良的节能效果，变频恒压供水宜采用多泵并联的供水模式。
由多泵并联恒压变频供水理论可知多泵并联恒压供水，只要其中一台泵是变频泵，其余全是工频泵，可以实现恒压变量供水。
在变频恒压变量供水当中，变频泵的流量是变化的，当变频泵是各并联泵中最大，即可保证恒压供水。
多泵并联恒压供水，在设计上可做到在恒压条件下各工频泵的效率不变，并使之处于高效率区工作，变频泵的流量是变化的，其工作效率随流量而改变。
变频调速在供水系统中的应用
变频调速在供水系统中的应用供水系统是城市发展必不可少的关键基础设施设备，其安全可靠的运行及节能提高在城市经济社会发展中具有重要意义。
供水系统通常存在着传统调速方式，如液力调速，液力自吸调速等，但这些调速方式仍存在着不足，如：效率低、可靠性差、限制的系统能力。
随着变频技术的发展，变频技术已经应用于供水系统中，为供水系统提供了一种更加有效而安全的调速方式。
2、变频调速原理变频调速技术是一种新型的调速方式，它主要使用了控制电路来控制电机转速，使其能够根据系统的情况实时调节电机的运行速度。
变频调速系统的核心组件是控制电路，它主要通过检测系统参数实时调整电机转速，使系统能够实现智能的调速功能，从而提高供水系统的能耗、运行效率及使用寿命。
3、变频调速在供水系统中的应用变频调速技术在供水系统中的应用是一项重要的技术，它不仅可以有效提高供水系统的运行效率，而且可以有效节省能耗，为城市可持续发展提供了重要的保障。
另外，通过变频调速，可以有效改善供水系统的水压稳定性，提高系统运行安全性和可靠性，使系统能够满足用户需求。
4、变频调速系统的安装变频调速系统是一种复杂的系统，在安装过程中需要注意以下几个方面：第一，应根据系统实际用电情况确定系统类型，如三相变频调速系统、单相变频调速系统等；第二，应根据具体系统情况确定合适的变频器型号，确保变频器的功率足够；第三，变频器应安装在室内环境，环境温度不高于45℃，湿度不高于85%，避免阳光直射，噪声小于60分贝；第四，应检查系统电气线路是否有良好的接地，以确保系统安全运行。
5、总结变频调速技术在供水系统的应用可以大大提高系统的安全性、可靠性及节能效果。
变频调速技术的有效实施，需要将变频调速技术融入到供水系统的建设、设计、运维中，同时还需要做好变频调速系统的安装工作，以确保系统的安全、可靠运行。
变频调速在供水系统中的应用
变频调速在供水系统中的应用近年来，随着电子技术的发展，变频调速技术已经被广泛应用于工业控制领域，特别是在供水系统中。
变频调速技术是一类以减轻负载压力、提高操作效率以及节省能耗的关键技术，广泛应用于各种制造业以及供水系统中。
变频调速技术的基本原理是利用变频器来控制电机的输出频率，从而改变电机的转速。
变频调速可以实现更加精确的控制，从而更好地满足供水系统的需求。
一般来说，变频调速的设备可以通过改变频率来控制电机的输出速度，并且可以实现更加精确的控制，实现节能效果。
变频调速可以提高供水系统的控制精度，在供水系统中有着重要的应用。
例如，变频调速技术可以改变供水系统中电机的输出频率，从而改善供水流量与价格，实现更加有效的控制和节约能源。
另外，变频调速还可以提高供水系统的稳定性，消除由于供水泵的启动及停止而带来的不稳定因素，减少由于供水流量不足而造成的水压波动。
此外，变频调速还可以节约能源，降低供水系统的运行成本。
相比传统的恒定频率控制，变频调速能够充分利用电机的最大效率，有效控制电机的输出功率，从而实现节能效果。
变频调速技术在供水系统中的应用越来越多，它有着许多优点，可以提高系统的精度和稳定性，减少能源消耗，降低运行成本。
但是，变频调速技术也有一些缺点，例如变频器的成本较高，另外，由于变频调速技术的设备维护比较复杂，所以需要专业的技术人员来维护和操作，提高了系统的运行成本。
总之，变频调速技术是一种具有重要应用前景的技术，它已经得到了广泛的应用。
变频调速技术可以提高供水系统的精度和稳定性，实现节能效果，但是设备成本较高，维护和操作也比较复杂。
因此，在实施变频调速技术的过程中，需要把成本和实际效益把握好，因为变频调速技术可以带来更大的节能效果，更好地满足供水系统的需求。
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第六讲：循环水系统的变频调速
1 循环水系统与供水系统的比较
人们通常的概念是：水泵工作过程中消耗的功率与转速的立方成正比。
这是因为，水泵的主要用途是供水，而对于一般供水系统来说，上述结论无疑是正确的。
然而，水泵的用途是多方面的，在非供水系统中，上述结论却未必是正确的。
1.1 供水系统的特点
供水系统的基本模型如图1所示。
图1 供水系统模型图
(1) 供水特点
在供水系统中，用户所用的水是被消耗掉的。
它并不回到水泵的进水口，对拖动系统毫无反馈作用。
(2) 水泵的作用
在供水系统中，水泵的作用是提高水的扬程。
(3) 水路特点
实际需要的扬程较大，水泵的全扬程必须大于实际扬程才能供水。
(4) 功率计算
在供水系统中，所消耗的功率与扬程和流量的乘积成正比：
P＝H·Q (1)
式(1)中P为功率(kW)；H为扬程(m)；Q为流量(m3/s)。
当改变水泵的转速时，流量和转速成正比：
＝ (2)
式(2)中Q1、Q2为调速前后的流量(m3/s)；n1、n2为调速前后的转速(r/min)。
而全扬程和转速的平方成正比：
＝ (3)
式(3)中H1、H2为调速前后的全扬程(m)。
所以，功率与转速的三次方成正比：
＝ (4)
式(4)中P1、P2为调速前后的功率(kW)。
由于供水系统在一昼夜间所需的平均流量（从而平均转速）大大小于最高流量，所以，在采用变频调速系统进行恒压供水控制时，其节能效果十分显著。
1.2 循环水系统
循环水系统的基本模型如图2所示。
(a) 冷冻水系统 (b) 等效水路 (c) 电流源电路
图2 循环水系统模型图
(1) 用水特点
在循环水系统中，所用的水是并不消耗的。
从水泵流出的水又将流回水泵的进口处，并且，回水本身具有一定的动能和位能，将反馈到水泵的进水口。
其典型实例是中央空调中的冷冻水循环系统，如图2(a)所示。
冷冻水路由冷冻泵、各楼
层房间的盘管以及冷冻主机等构成一个封闭的循环水系统。
这里，冷冻主机只起降低水温的作用，对于水的流量，并没有特殊的作用。
因此，该水路可简化成如图2(b)。
(2) 水泵的作用
在全封闭的循环水系统中，水流具有连续性，全扬程几乎为0。
水泵所起的作用就是使循环水按一定的流量Q流动。
这种情形与图2(c)所示的电流源电路十分类似：电流源的作用就是产生一定量的电流。
(3) 压差的概念
在图2(c)所示的电路中，电流I流经电阻R后将产生电压U（即电位差）。
同理，循环水系统中，在水泵的出水口和回水口之间，也必存在着压力差pD：
pD＝p1- p2 (5)
式(5)中pD为水泵出水口和回水口之间的压差(MPa)；p1为出水压力；p2为回水压力。
与电路的工作情形相类似，循环水系统中压差pD的大小是与流量成正比的：
pD＝Q·R (6)
式(6)中R为水路中的管阻。
2 循环水系统的控制方式与节能效果
结合中央空调的实际例子，如图3(a)所示，其控制方式大致有两种：
2.1 利用变频调速进行恒压差控制
(1) 控制特点
以水泵的出水压力和回水压力之间的压力差作为控制依据，通过变频调速，实现恒压差运行。
(2) 控制原理
以图3(b)所示的电流源电路为例，如果切断部分支路，则负载电阻增大，在总电流I不变的情况下，端电压U必然也增大。
与此同时，各支路中的电流也必增大。
如能通过调节电流源的电流大小，保持端电压U不变，则各支路中的电流也不变。
同理，在大楼的冷冻水循环系统中，当关掉部分楼层的冷冻水管路时，总的管阻也必增大，水泵两端的压差也增大，阀门未关的楼层中的流量增大，导致室温下
如果通过变频调速，使压差保持恒定，则未关楼层的冷冻水流量将保持不变，从而室温也不会变化。
(a) 冷冻水系统 (b) 模拟电路
图3 多楼层的冷冻水系统模型图
(3) 节能效果
在循环水系统中水泵作功的功率可计算如下：
P＝pD·Q (7)
由于压差pD恒定，故：
P＝KP”·n (8)
式(8)中KP”为比例常数；n为转速。
式(7)(8)表明，功率P只与流量或转速的一次方成正比。
在平均转速低于额定转速的情况下，其节能效果与供水系统相比，将大为逊色。
此外，恒压差控制方式没有把环境温度变化的因素考虑进去，就是说，冷冻水所带走的热量与房间温度无关，当环境温度变化时，室温也必将发生变化，可见，这种方式也明显不大合理。
(4) 控制框图
压差信号的取出如图4中的虚线所示。
市场上已有压差变送器出售，可以直接使用。
由压差变送器得到的压差信号XF，作为反馈量输入到变频器的反馈信号端IPF。
压差的目标值XT可以从电位器上取出，如图4所示，也可以由控制面板直接输
2.2 利用变频调速进行恒温差控制
(1) 控制特点
以冷冻主机的回水温度和出水温度之差作为控制依据，通过变频调速，实现恒温差运行。
图4 冷冻水的控制方式原理图
(2) 控制原理
冷冻主机的回水温度和出水温度之差表明了冷冻水从房间带走的热量。
因此，如果温差大，说明房间温度高，应加快冷冻水的流量；反之，如果温差小，说明房间温度低，应减缓冷冻水的流量。
所以，恒温差控制可以使房间的温度保持稳定。
其工作特点是：
负载不变时的情形以电路为例，在负载电阻不变的情况下，电流大小改变时，端电压U也随之改变。
同样，当开启的楼层不变时，改变冷冻水的流量，水泵两侧的压差也必然改变。
负载改变时的情形假设关掉部分楼层的冷冻水管道，在刚关掉的时候，将导致压差上升，使未关房间的冷冻水流量增大。
但由于冷冻水流经的房间减少，带走的热量也少，温差下降，反馈给变频调速系统，使水泵的转速下降，冷冻水的流量重又减小，直至温差恢复到目标值为止。
(3) 节能效果
由于压差并非恒值，故式(8)已不适用。
但由式(6)和式(7)可知：
P＝Q2·R (9)
所以，在循环水系统里，水泵的功率是和转速的平方成正比的：
＝ (10)
可见，采用了恒温差控制方式后，不仅房间的温度比较稳定，其节能效果也比恒压差控制方式好，但仍低于供水系统的节能效果。
三者的比较如表1所示。
表1
（注：表中数据为粗略计算，水泵本身的功耗与水泵效率等均未考虑）
(4) 控制框图
如图4中实线所示，反馈信号由温差控制器给出。
控制时，需注意其逻辑关系：温差大，说明房间的温度高，应提高水泵的转速，加大冷冻水的流量；反之，温差小，说明房间的温度低，应降低水泵的转速，减小冷冻水的流量。
2.3 压差与温差的综合控制
上述分析，可以改进的控制方案有两种：
(1) 压差为主、温差为辅的控制
以压差信号为反馈信号，进行恒压差控制。
而以温差信号作为目标信号，使压差的目标值可以在一定范围内根据温差大小进行适当调整。
就是说，当房间温度较低时，使压差的目标值适当下降一些，减小冷冻泵的平均转速，提高节能效果，如图5(a)所示。
这样，既考虑到了环境温度的因素，又改善了节能效果。
(2) 温差为主、压差为辅的控制
以温差信号为反馈信号，进行恒温差控制，而以压差信号作为目标信号。
就是说，当开启的楼层较多时，在同样的流量下，压差较小。
这时，应适当提高目标信号，增加冷冻泵的平均转速，确保最高楼层具有足够的压力，如图5(b)所示。
(a) 压差为主 (b) 温差为主图5 冷冻水综合控制原理图。