例談冷水機組水泵變頻節能方案設計與實施

張煒

引言

根據了解，某公司四臺冷水機組水泵控制系統現場設備情況如下：日立冷水機組108KW；Grasso冷水機組110KW和90KW；開利冷水機組45KW。現對這四臺冷水機組控制系統進行分析：由于原來水泵控制根據供水壓力檢測調節壓差旁通閥，水泵本身不變速。由于沒有使用變頻器，水泵啟動后便運行在工頻狀態，大大浪費了電能，更加快了機械磨損，同時也大大縮短了電機的機械壽命，因此，對這四臺冷水機組水泵進行改造，勢在必行。

一、原系統不足

冷水機組水泵的運行過程一直處于工頻全速運行狀態，如果改變供水流量則需要通過調節壓差旁通閥的大小來實現。

在工作時段時，無論需要多大的供水流量，都要求水泵在工頻下運行才可以滿足工作環境的需要，每個月都要消耗30%左右的電能，這對電力能源是個較大的浪費。

二、系統改造方案

在該改造方案中，考慮到節能和設備損耗等因素，增加了PLC和變頻器對水泵進行控制。此外，在供回水管道增加溫度傳感器。改造方案中通過采集現場供/回水管路上溫度信號送到PLC控制站，根據溫差信號做PID調節來改變變頻器的運行頻率調節供水流量的大小，同時又能滿足工作環境的要求，最大限度的達到節能的效果。

在該控制系統中，中央控制站采用RockWell公司的MicroLogix1200系列PLC，并根據I/O模塊采集到的現場設備運行數據，自動進行邏輯運算，并對變頻器進行速度調節，實現全過程的閉環自動調節，更有效的達到節能的目的。現場設備采用AB公司專門針對風機泵設計的PowerFlex400系列變頻器對水泵進行控制。具體可看圖1所示。

三、系統實現功能

在實踐運行過程檢測中發現，該改造方案可以實現以下功能：1. 根據供/回水管溫度信號，能夠自動調節變頻水泵的轉速；2. 設定供水壓力上限，當到達壓力上限，系統自采取相應安全措施，并產生報警，提高系統的安全性；3. 全自動控制設備運行，故障情況自動切換到備用設備。

四、系統控制方式

該控制系統采用兩種控制方式：自動控制和手動控制。一般情況下，系統運行在自動控制模式下，此時不需要任何手動操作，程序自動啟動冷凍水泵和冷卻水泵，并且實時采集現場溫度信號并送到PLC，通過邏輯運算來自動控制變頻水泵頻率的調節等功能，在設備出現故障后，自動切換到備用設備，并發出報警信號。

現場控制柜有手/自動轉換開關，實現系統的手/自動控制模式的轉換。

在自動模式下：程序根據采集的現場儀表參數，自動控制開啟變頻冷凍水泵；根據供/回水管溫度信號，PLC進行數據分析，并采取相應的控制操作：變頻器速度調節；報警信息的顯示等，在整個運行過程中全部實現閉環控制調節。

當傳感器檢測到回水和供水之間的溫度差值加大的時候，溫度信號傳送給PLC，通過邏輯運算調節水泵，使之加速運行；當差值變小時，水泵減速，回歸正常值。

無論那一臺變頻器出現意外跳閘，本系統無論在自動還是手動模式都會切換到備用變頻器，指示燈和蜂鳴器報警。

程序時時采集供水壓力傳感器信號，并且與壓力設定值上限做比較，當壓力信號高于設定壓力上限，系統自動停止所有變頻水泵，并產生報警，有效避免了爆管現象，提高了系統的安全性。

注意：在此模式下，主水泵采用變頻控制，備用水泵采用直接啟動。

在手動模式下：變頻水泵由現場操作人員在控制柜柜面上通過啟動/停止按鈕實現變頻水泵的啟/停，此時速度可以由操作人員通過變頻器控制面板輸入運行頻率。

五、系統節能分析

1. 節能原理

對于冷凍電機水泵控制系統，按照傳統的容量設計方案，負荷在一年中實際運用比例只是占到全部的一半，大部分時間只是少量負荷在運行，浪費現象嚴重。所以說冷凍水定流量運行存在很大的能量浪費，所以采用變頻器來控制水泵，達到最大限度的節能。變頻器是通過改變電機的頻率來調節電機轉速，頻率可無級調節，調節范圍大（一般為0—400HZ），調速穩定。

變頻調速用于水泵改造，具有以下獨特的優點：1. 起動、停止平穩，無級調速，調速范圍大；2. 工作可靠，能長期連續穩定運行；3. 操作簡單方便，維護量小；4. 輸出特性可滿足水泵特性要求；5. 節能效果顯著。

圖2是采用變頻調速的特性曲線：由圖可見，當流量從100%下降到80%時，能量從100×100=10000變為80×65=5200，下降到60%時，能耗變為38×60=2280

從圖2可以得出：通過變頻器調速來控制水泵的運行可以達到最大限度的節約電能效果。由于電機輸出功率正比于轉速三次方關系，用變頻器進行調速，若轉速下降至額定轉速的80%，軸功率下降至額定功率的51.2%（80%的三次方），流量下降，可使轉速下降到額定轉速的50%，此時軸功率是額定值的12.5%（50%的三次方）。

2. 節能效果

根據冷凍水控制系統現有設備運行情況分析得到：冷凍水泵：18.5KW×2 （一用一備）；冷卻水泵：11KW×2 （一用一備）；（注：以下節能數據分析以冷凍水泵為例）

設備運行情況：1、每天24小時運行1臺冷凍水泵18.5KW（一用一備）；2、每月運行30天；冷凍水泵：不采用變頻器時：一臺水泵： 18.5KW×1 = 18.5KW運行時間：24×30=720H；每月正常用電量：（18.5×1）×720=18.5×720 =13，320 KWH

通過變頻器改變冷卻泵的轉速，從而改變水流量，在反饋信號、PLC的PID調節、變頻器三者之間的閉環系統，使得冷卻泵轉速和負荷統一變化，達到節能調節。

根據節能原理分析可以得到以下公式：

N、Q、P、f—水泵的額定轉速，流量，軸功率、運行頻率

N'、Q'、P'、f'—調速后的水泵的轉速，流量，軸功率、運行頻率

m、s—電機的極對數、滑差率

=則Q'= Q； =； 則P'=P；又N=60f

得：P'= P → P'=P

根據現場負荷情況分析，24個小時一臺變頻水泵運行，此時流量假設在80%，則變頻水泵應運行在40H得： P'=P → P'P → P'=0.512P 整天：W'=P't=0.512Pt

因此可得到以下運算數據：一臺水泵： 18.5KW × 1運行時間： 24×30=720H；

正常用電量：18.5×720×51.2% =6，820 KWH 節省用電量：13，320-6，820=6，500 KWH

（注：公式計算中是在理論情況下變頻器節電量，但在實際應用中，由于變頻器存在其他的功率損耗等，根據經驗得到變頻器實際節電量大約為理論節電量的80%）則：每月實際節電量=6，500 KWH ×80% =5，200 KWH，實際節電效率：5，200÷13，320×100%=39%；得到：每月實際節電效率大約在39%。

注：1. 此節能效果中，變頻冷凍水泵運行流量為假設值，故最后計算節電效率為估算值；改造后節能效果和使用者的使用情況息息相關。當工作強度高、使用頻繁、周圍溫度高時，節能效果一般；當工作強度低，不常使用，周圍溫度低市，節能效果可觀。

八、結束語

系統改造后，經過技術人員測試和運行，平均每月節約電能30%，得到了管理層的認可和肯定。現就改造后幾個優勢進行總結：

1. 通過采用PLC和變頻器控制，冷卻水泵輸出功率能夠根據負載變化自動改變，節約電能效果明顯。

2. 在機械性能上表現搶眼：降低磨損、噪音和振動，使得設備維修周期和使用壽命大大延長，工人的勞動強度和工作環境得到了很大改善。

3. 由于有了更為人性化的保護措施，系統的可靠性和工人的安全措施得到提升，生產效率有了提升。

4. 設備操作方便、簡單，維護也方便很多。

責任編輯 龍建剛