工業(yè)水泵自動(dòng)化變頻改造經(jīng)濟(jì)性分析

王 翔

（太原熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司萬(wàn)柏林供熱分公司， 山西 太原 030003）

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷提升，水泵常規(guī)的控制方式并不能滿足可持續(xù)發(fā)展社會(huì)建設(shè)的節(jié)能需求,在此種情況下，水泵的自動(dòng)化節(jié)能改造也成為工業(yè)發(fā)展的重要方向[1]。變頻控制系統(tǒng)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一種水泵自動(dòng)化調(diào)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)需求對(duì)水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)控，但目前很多企業(yè)在水泵自動(dòng)控制變頻改造過(guò)程中是基于PID 控制算法實(shí)現(xiàn)的，該種自動(dòng)變頻控制模式雖然能夠?qū)崿F(xiàn)水泵的自動(dòng)化控制，但對(duì)用水響應(yīng)相對(duì)較慢，這對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)有著一定的影響[2]。因此，建立一種能夠快速響應(yīng)需求，安全可靠的自動(dòng)控制系統(tǒng)也成為工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵所在。

1 工業(yè)水泵自動(dòng)化變頻改造工程概況

某企業(yè)供暖換熱站中共計(jì)有三臺(tái)循環(huán)泵、一臺(tái)補(bǔ)水泵，其中兩臺(tái)（1 號(hào)、2 號(hào)）用于廠區(qū)供暖水的循環(huán)控制，另一臺(tái)作為備用泵，補(bǔ)水泵用于廠區(qū)供暖水的補(bǔ)充。該企業(yè)在建立之初，供熱站水泵的控制均為工頻控制，在此種控制模式下，企業(yè)的能源成本較高。隨著節(jié)能降耗的推行，該企業(yè)進(jìn)行了自動(dòng)化改造，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)泵、補(bǔ)水泵的變頻控制，但此次改造工作是基于傳統(tǒng)PID 控制算法實(shí)現(xiàn)的，該系統(tǒng)在應(yīng)用中雖然能夠降低能源消耗（具體如表1 所示），但廠區(qū)內(nèi)部某些房間的溫度卻出現(xiàn)了忽高忽低的情況，甚至部分房間夜間溫度不能達(dá)到供暖需求（≥18℃），這對(duì)夜班工作人員的工作質(zhì)量有著一定的影響。因此該企業(yè)希望在原基礎(chǔ)上進(jìn)行二次改造，確保在供暖溫度適宜的條件下實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

表1 改造前后水泵能耗情況

2 工業(yè)水泵自動(dòng)化變頻改造分析

某企業(yè)換熱站循環(huán)水泵為75 kW 立式循環(huán)水泵，補(bǔ)水泵為30 kW 臥式水泵，在第一次自動(dòng)化系統(tǒng)改造過(guò)程中，控制模塊采用S7-200 Smart PLC 控制器，循環(huán)水泵變頻器型號(hào)為康沃CVF-G3-4T0750，補(bǔ)水泵變頻器型號(hào)為康沃CVF-G3-4T0300，該類型變頻器自帶PID 控制功能。在本次自動(dòng)化改造過(guò)程中，主要對(duì)PLC 控制模塊進(jìn)行了更新升級(jí)，進(jìn)而解決供熱溫度不恒定的問(wèn)題。在改造中，將原S7-200 Smart PLC控制器更換為S7-300 Smart PLC 控制器，更換后的PLC 模塊功能性更強(qiáng)，并且各項(xiàng)功能也更為獨(dú)立。在PLC 更換完成后需要進(jìn)行模糊PID 控制器的設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)以二輸入（溫度誤差e 和誤差變化率Ce）三輸出（△Kp、△Ki、△Kd）型結(jié)構(gòu)為主。由于該企業(yè)的供水溫度在50~60 ℃之間，因此在運(yùn)行過(guò)程中e 在10 ℃以內(nèi)。根據(jù)前段時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，Ce 為0.3，因此在此次設(shè)計(jì)當(dāng)中e 論域設(shè)置為[-10,10]，Ce 論域設(shè)置為[-0.3,0.3]，根據(jù)PID 調(diào)節(jié)規(guī)律，可以將△Kp設(shè)置為[-5,5]，△Ki論域設(shè)置為[-0.5,0.5]，△Kd論域設(shè)置為[-10,10]。之后根據(jù)基礎(chǔ)論域進(jìn)行離散化處理，并設(shè)立模糊子集，得出相應(yīng)的函數(shù)，而后根據(jù)函數(shù)建立模糊控制規(guī)則表，以為后續(xù)模糊PID 控制算法的執(zhí)行查詢相關(guān)內(nèi)容。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，PLC 控制器會(huì)定時(shí)收集供水管路溫度，并將該值代入模糊PID 算法程序當(dāng)中，進(jìn)行模糊化推理，從而得出△Kp、△Ki、△Kd，之后將相應(yīng)值輸入到變頻器PID 控制程序當(dāng)中，得出水泵的調(diào)節(jié)數(shù)值，進(jìn)而輸出相對(duì)應(yīng)的頻率，實(shí)現(xiàn)水泵的自動(dòng)化變頻調(diào)控。

3 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的仿真

為了驗(yàn)證改造后自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)供熱管網(wǎng)溫度控制的準(zhǔn)確性，本次利用MATLAB/Simulink 軟件對(duì)改造前后的自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖1所示。

圖1 兩種自動(dòng)化控制系統(tǒng)下反饋信號(hào)的變化曲線圖（有擾動(dòng)）

如圖1 所示，基于模糊PID 算法所建立的自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有更快的響應(yīng)速度，在11 s 左右改進(jìn)后的自動(dòng)化控制系統(tǒng)已經(jīng)與參考信號(hào)一致，而改進(jìn)前系統(tǒng)在25 s 時(shí)才與參考信號(hào)達(dá)成一致，并且模糊PID 控制模式下反饋信號(hào)的超調(diào)量?jī)H有0.1%，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)PID 算法控制下5%的超調(diào)量。

在模擬過(guò)程中，第30 s 時(shí)系統(tǒng)介入干擾，傳統(tǒng)PID 算法程序下的自動(dòng)化控制系統(tǒng)反饋信號(hào)具有較大的波動(dòng)，恢復(fù)到平穩(wěn)所需要的時(shí)間超出20 s，而改造后的系統(tǒng)僅需要10 s 左右便可恢復(fù)，并且擾動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的超調(diào)量也更小。

4 工業(yè)水泵自動(dòng)化變頻改造經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 改造效果分析

本次自動(dòng)化變頻改造的主要目的是提高水泵控制的精確性，確保供暖系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。為了驗(yàn)證改造后供熱效果，本次研究選取改造前后兩個(gè)典型日某房間的溫度進(jìn)行檢測(cè)，兩個(gè)典型日室外氣溫一致，并且溫度檢測(cè)前后某房間格局、裝修以及家具等影響室溫變化的條件均未改變。檢測(cè)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 改造前后典型日某房間溫度變化情況

由圖2 可知，在自動(dòng)化變頻系統(tǒng)改造完成后，某房間室內(nèi)溫度變化趨勢(shì)更加平穩(wěn)。并且在改造完成后的水泵自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用下，某房間全天最低溫度為18.44 ℃，而改造前該房間全天最低溫度為16.55 ℃。由此可見(jiàn)，自動(dòng)化變頻改造具有良好的溫度控制效果。

4.2 經(jīng)濟(jì)性分析

某企業(yè)供暖時(shí)間與所在區(qū)域供暖時(shí)間一致，均為153 d。該企業(yè)第一次水泵自動(dòng)化改造工作是在2017年7 月進(jìn)行，同年供暖期開(kāi)始運(yùn)行，經(jīng)過(guò)三年運(yùn)行發(fā)現(xiàn)部分車(chē)間內(nèi)部溫度難以達(dá)到供暖需求，因此在2020 年7 月進(jìn)行二次改造，于2020 年11 月15 日開(kāi)始運(yùn)行，經(jīng)過(guò)對(duì)三個(gè)階段水泵能耗統(tǒng)計(jì)，得出如圖3所示的結(jié)果。

圖3 不同控制模式下水泵系統(tǒng)供暖期耗能情況

由圖3 可知，在第一次自動(dòng)化系統(tǒng)改造完成后，2號(hào)循環(huán)泵與補(bǔ)水泵的能耗有了極大的下降；第二次改造完成后1 號(hào)循環(huán)水泵的能耗有小幅度提升，由原先25.69 萬(wàn)kW·h 增長(zhǎng)為26.33 萬(wàn)kW·h；而2 號(hào)循環(huán)泵能耗和補(bǔ)水泵能耗均有一定下降。經(jīng)過(guò)計(jì)算，第一次改造完成后該企業(yè)供暖水泵每年電能費(fèi)用可降低12.71 萬(wàn)元；在第二次改造完成后，該企業(yè)供暖水泵電能費(fèi)用相比較第一次改造可降低1.59 萬(wàn)元。因此，在基于模糊PID 算法下的水泵自動(dòng)化變頻系統(tǒng)應(yīng)用后，該企業(yè)相比較最初水泵工頻控制能夠降低能耗費(fèi)用為14.3 萬(wàn)元，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)某企業(yè)的供暖情況進(jìn)行分析，提出第一次自動(dòng)化系統(tǒng)改造完成后所存在的問(wèn)題，并分析改造完成后的耗能情況。

2）根據(jù)某企業(yè)水泵自動(dòng)化變頻系統(tǒng)進(jìn)行二次改造，更換PLC 控制器，并根據(jù)企業(yè)供暖需求設(shè)計(jì)模糊PID 控制器，后利用MATLAB/Simulink 對(duì)自動(dòng)化變頻系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果顯示二次改造完成后的自動(dòng)化控制系統(tǒng)控制精確度更好。

3）將本次所設(shè)計(jì)的水泵自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用于該企業(yè)當(dāng)中，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)二次改造的水泵控制系統(tǒng)具有更高效的控制效果，廠區(qū)內(nèi)部所有室內(nèi)溫度均能滿足冬季供暖需求，并且二次改造后的控制系統(tǒng)相比較傳統(tǒng)人工控制能耗費(fèi)用能夠有效降低14.3 萬(wàn)元，具有良好的改造經(jīng)濟(jì)效果。