高楼水压节能控制系统硬件设计.docx
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高楼水压节能控制系统硬件设计
摘要
近年来,随着城市建设的迅速发展,土地资源越来越少,现代建筑越来越高,高层居民楼供水难的问题越来越突出,单靠自来水管网的压力已远远不能满足高楼供水的要求,而传统的高楼供水方式不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度低等缺点。
为了解决上述问题,本文提出了变频调速节能供水方案,该方案具有高效节能、安全可靠、自动化程度高、操作简单的优点。
研究此方案对降低成本、节约能源、提高供水质量有着非常重要的现实意义。
该论文针对高层居民楼供水进行硬件设计,由变频调速节能供水的设计思路。
其中节能供水系统分别由压力传感器、变频器、离心泵机组等组成,以水泵出口水压为参数,通过控制变频器的输出频率来自动换泵和自动调节水泵电机的转速来达到各区节能用水的目的。
论文通过计算用水量来选择水泵机组、驱动电机、和变频器,并对系统的工程问题进行了讨论。
变频节能供水系统能够通过配置合理型号的水泵、电机、变频器以及节能供水控制方式为供水行业在保证供水服务,赢得良好社会效益的同时,也降低了自身的生产成本,提高劳动生产率,从而获得更好的经济效益。
关键词:
节能供水,变频调速,离心泵
Abstract
Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofurbanconstruction,landresourcesbecominglessandless,modernbuildingsbecominghigherandhigher,high-riseresidentialbuildingsareincreasinglydifficultinconstantpressureofwatersupply.Thepressureofwaterpipenetworkalonehasn’tbeenfarfrommeetthedemandofconstantpressurewatersupply,however,thetraditionalwayofconstantwatersupplygenerallyhasthedisadvantageoflowefficiency,poorreliabilityandautomation.Tosolvetheaboveproblems,weproposeaprogramwhichisthevariablefrequencycontrolspeedtomaintainconstantpressurewatersupply.Theprogramisenergyefficient、safe、reliable、highdegreeofautomationandsimple.OperationResearchingthisprogramhasaveryimportantsignificanceincostreduction,energyconservation,waterqualityimprovement.
Thispaperisaimtodohardwaredesignforhigh-riseresidentialbuildingsconstantpressurewatersupply,applyverticalpartitionsinordertorealizeconstantwatersupply.Low-areanetworkgetswaterdirectlyfrommunicipalwatersupplynetwork.Middleandhighnetworkgetswaterbyvariablefrequencycontrolofmotorspeedtomaintainconstantpressurewatersupply.Middleandhighnetworkconstantpressureofwatersupplysystemiscomposedofpressuresensor、transducer、pumpunitetc.Thesystemwithwaterpressureparameterswhichisfromexportpumps,realizeconstantpressurewatersupplyforeachareabycontrollingtheoutputfrequencyofinverterwhichcanswitchpumpandadjustthepumpspeedautomatically.Thisthesisalsoselectthedistricts’waterpump、drivingmotorsandinvertersbycalculationofwaterconsumption.Inthispaper,systemengineeringproblemsarediscussed,too.
variablefrequencyconstantpressurewatersupplysystemmakeswatersupplyindustriestoreducetheirproductioncosts、improvelaborproductivityandacquirebettereconomicbenefitsatthesametimeensurewaterservicesandwingoodsocialbenefits,throughconfiguringreasonablemodelofpumps、motorsandinverters.
Keywords:
constantpressurewatersupply,variablefrequencycontrolspeed,subregion,pump
第1章绪论
1.1高楼水压节能控制的背景和意义
(1)课题研究的背景
众所周知,水是生产生活中不可缺少的重要组成部分,长期以来在市政供水、高层建筑供水等方面技术一直比较落后,自动化程度低。
主要表现在用水高峰期,水的供给量常常低于需求量,出现水压降低供不应求的现象,而在用水低峰期,水的供给量常常高于需求量,出现水压升高供过于求的情况,此时水压不恒定并且造成能量的浪费,同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏。
总的说,节能供水大致经历了以下几个发展阶段。
下面就逐一分析:
一台恒速泵直接供水系统
这种供水方式,水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户,有的甚至连蓄水池也没有,直接从城市公用水网中抽水,严重影响城市公用管网压力的稳定。
这供水方式,水泵整日不停运转,有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。
这种系统形式简单、造价最低,但耗电、耗水严重,水压不稳,供水质量极差。
恒速泵加水塔的供水方式
这种方式是水泵先向水塔供水,再由水塔向用户供水。
水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。
水塔注满后水泵停止,水塔水位低于某一位置时再启动水泵,水泵处于断续工作状态中。
这种供水方式,只有水泵工作在额定流量额定扬程的条件下,水泵才处于高效区。
这种方式显然比前一种节电,其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开、停频率等有关,供水压力比较稳定。
但这种供水方式基建设备投资最大,占地面积也最大;水压不可调,不能兼顾近期与远期的需要;而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降,故还存在一些能量损失和二次污染问题。
而且在使用过程中,如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话,水泵不能进行自动的开、停,这样水泵的开、停,将完全由人操作,这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。
恒速泵加高位水箱的供水方式
这种供水方式原理与恒速泵加水塔的供水方式是相同的,只是水箱设在建筑物的顶层,高层建筑还可分层设立水箱。
占地面积与设备投资都有所减少,但这对建筑物的造价与设计都有影响,同时水箱受建筑物的限制,容积不能过大,所以供水范围较小。
一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。
水箱的水位监控装置也容易损坏,这样系统的开、停,将完全由人操作,使系统的供水质量下降能耗增加。
射流泵加水箱供水方式
这种方式是利用射流泵本身的独特结构进行工作的,利用压差和入水管粗,出水管细的变径工艺来实现供水,但是由于其技术和工艺的不完善,加之该方案会出现有压无量(流量)的现象,无法满足高层供水的需要。
恒速泵加气压罐供水方式
这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水,通过监测罐内压力来控制泵的开、停。
罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小,而且可以放在地上,设备的成本比水塔要低得多。
而且气压罐是密封的,所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。
但气压罐供水方式也存在着许多缺点,下面一一讲述:
该方式依靠压力罐中的压缩空气送水,气压罐配套水泵运行时,水泵在额定转速、额定流量的条件下工作。
当系统所需水量下降时,供水压力将超出系统所需要的压力从而造成能量的浪费。
同时水泵是工频率启动,且启动频繁,又会造成一定的能耗。
另外气压罐要消耗一定的钢量并且气压罐体积大占用一定的地面面积。
在运行方式上,气压罐方式的运行不稳定,突出表现在它的频繁启动。
由于气压罐的调节容量仅占其总容积的1/3-1/6,因而每个罐的调节能力很小,只得依靠频繁的启动来保证供水,这样将产生较大的噪声,同时由于启动过于频繁,压力不稳,加之硬启动,电气和机械冲击较大,设备容易损坏。
变频调速节能供水方式
这种方式的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较,再通过控制器调节变频器的输出,无级调节水泵转速。
使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。
相比于气压罐供水方式,变频调速的方式有明显的优势。
变频节能供水在系统用水量下降时可无级调节水泵转速,使供水压力与系统所需水压大致相等,这样就节省了许多电能,同时变频器对水泵采用软启动,启动时冲击电流很小,启动能耗比较小。
另外变频调速供水系统的变频器是一台由微机控制的电气设备,不存在消耗多少钢材的问题并且变频调速式中的调速装置占地面积小。
在运行效果上,变频调速式的运行十分稳定,没有频繁的启动现象,加之启动方式为软启动,设备运行十分平稳,避免了电气、机械冲击。
在小区供水中,而且由于调速式是经水泵加压后直接送往用户的,防止了的水质二次污染,保证了饮用水水质可靠。
变频节能供水系统有单片机变频节能供水系统和PLC变频节能供水系统。
单片机节能供水系统的自动化程度明显优于前四种供水方式,但其需要的开发周期长,对操作员的素质要求高,可靠性较低,维护不方便,并且不适合于恶劣的环境。
鉴于单片机节能供水系统有许多缺点本设计采用PLC高楼水压节能控制系统。
PLC高楼水压节能控制系统可靠性高、抗干扰能力强,设计、安装容易,维护工作量少,功能强通用性好,开发周期短、成功率高,体积小、重量轻等优点[1]。
(2)课题研究的意义
传统的供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点,难以适应当前经济生活的需要。
目前的供水方式正在朝高效节能、自动可靠的方向发展。
因此开发全自动的高楼水压节能控制系统,越来越受到人们的重视和青睐。
随着人们生活质量的提高,同时为了满足节约能源、提高设备寿命的需要,采用变频方式维持管网压力恒定的成套供水控制装置已逐步取代传统的供水方式,在生产、生活、消防等各个领域得到了广泛应用[2]。
高楼水压节能控制系统以其节能、安全、高品质的供水质量优点,使我国供水行业的技术装备水平从20世纪90年代经历了一次质的飞跃,变频节能供水系统实现水泵电机无级变速,根据用水量的变化自动调节系统的运行参数,达到维持恒定供水压力的目的,使其成为先进合理的节能型供水装置,并在实际应用中得到了很大的发展和推广。
它具有投资少,自动化程度高,保护功能齐全,运行可靠,操作简便,节水节电效果显著,尤其对水质不构成二次污染,其优异的性能价格比,是其它任何供水设备无法比拟的。
随着自动控制和电力电子技术的飞速发展,智能型控制器件和变频装置的功能也越来越强,充分利用各种先进技术,合理设计变频节能供水设备,对降低成本、节约能源、提高供用水质量有着非常重要的意义。
1.2高楼水压节能控制系统现状和发展
(1)高楼水压节能控制系统研究现状
高楼水压节能控制系统是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。
在早期,由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。
应用在变频节能供水系统中,变频器仅作为执行机构,为了满足供水量大小需求不同时,保证管网压力恒定,需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器,对压力进行闭环控制。
从查阅的资料的情况来看,国外的节能供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式,几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况,因而投资成本高。
在1968年,丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器(丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一)后,随着变频技术的发展和变频节能供水系统的稳定、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后,国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有节能供水功能的变频器,像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术,法国的施耐德公司就推出了节能供水基板,备有“变频泵固定方式”、“变频泵循环方式”两种模式。
它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上,通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能,只要搭载配套的节能供水单元,便可直接控制多个内置的电磁接触器工作。
可构成最多七台电机(泵)的供水系统。
这类设备虽然说是微化了电路结构,降低了设备成本,但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性,系统的动态性能和稳定性不高,与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信,并且限制了带负载的容量,因此在实际使用时其范围受到了限制。
目前国内有不少公司在做变频节能供水的工程,大多数采用国外品牌的变频器控制水泵的转速、水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制,有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现;有的采用单片机及相应的软件予以实现。
但从系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说,还远远没能达到所有用户的要求。
原深圳华为(现已更名为艾默生)电气公司和成都希望集团(森兰牌变频器)也推出了节能供水专用变频器(2.2KW-30KW),无需外接PLC和PID调节器,可完成最多四台水泵的循环切换,定时启动、停止和定时循环(丹麦丹佛斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换)。
该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现,但其输出口限制了带负载容量,同时操作不方便且不具有数据通信功能,因此只适用于小容量,控制要求不高的供水场所。
可以看出,目前在国内外变频调速节能供水控制系统的研究设计中,对于能适应不同的用水场合,结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)的变频节能供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。
因此,有待于进一步研究改善变频节能供水系统的性能,使其能被更好的应用于生活、生产实践中。
采用变频器调节以后,系统实现了软启动,电机启动电流从零逐渐增至额定电流,启动时间相应延长,对电网没有较大的冲击,减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤,有效的延长了电机的使用寿命。
这种调控方式以稳定水压为目的,各种优化方案都是以母管(市政来水管)进口压力保持恒定为条件。
实际上,给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。
这种调控方式缩小了优化范围,所得到的解为局部最优解,不能完全保证泵站始终工作在最优状态。
变频调速是优于以往任何一种调速方式(如调压调速、变极调速、串级调速等),是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术,它采用的微机控制技术;电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速,具有高效率、宽范围和高精度等特点。
以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低能耗等诸多特点。
(2)高楼水压节能控制系统的发展趋势
高楼水压节能控制系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展。
在国内外,专门针对供水的变频器集成化越来越高,很多专用供水变频器集成了PLC或PID,甚至将压力传感器也融入变频组件,同时维护操作也越来越简明。
目前国内不少公司在从事进行变频节能供水的研制推广,国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器,结合PLC或PID调节器实现节能供水,在小容量、控制要求的变频供水领域,发展较快,并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频节能供水市场。
但在大功率大容量变频器上,国产变频器有待于进一步改进和完善。
1.3本课题研究的主要内容
本课题的任务是在广泛调研的基础上,针对现代建筑越来越高,高层居民楼恒压供水难的问题越来越突出,单靠自来水管网的压力已远远不能满足恒压供水的要求,而传统的恒压供水方式不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度低等缺点。
为了解决上述问题,本文提出了变频调速恒压供水方案,该方案具有高效节能、安全可靠、自动化程度高、操作简单的优点。
研究此方案对降低成本、节约能源、提高供水质量有着非常重要的现实意义。
本文以高层居民楼节能供水系统为背景,引出变频调速节能供水,介绍了供水系统的硬件设计和实现,并针对实际供水情况,进行硬件的选择和连接,具体安排如下:
第1章介绍了课题研究的背景,首先指出几种传统供水方式引出变频节能供水。
然后介绍了节能供水的意义和研究现状,说明节能供水在降低成本、节约能源、提高供水质量方面有重要的现实研究意义,指出变频调速已经成为高楼节能供水的主要方式。
最后介绍了课题研究的主要内容,阐述了本设计的研究任务;
第2章对变频节能供水系统进行理论分析,首先对高楼水压节能控制系统进行简单介绍,说明变频调速节能供水的设计思路,根据系统的特点设计了节能供水的原理框图和硬件组成,通过总体分析设计出分区节能供水的总体方案。
第3章根据实际中对系统的要求,对高楼水压节能控制系统的硬件进行具体的选择,根据最大日用水量选择离心泵组、驱动电机和变频器,同时对硬件的电气连接进行叙述。
同时对系统在运行过程中的故障进行介绍,并讲述了故障可能的原因,同时对系统的抗干扰设计做简单叙述。
第4章对本设计进行总结,展望。
供水是指用户端在任何时候,不管用水量的大小,总能保持管网中水压的基本恒定。
在节能供水系统中,为保持管网水压的基本恒定,需要根据给定的管网压力与管网水压的反馈信号进行比较以调节水泵的转速,达到调节管网中水压的目的。
根据公式:
N=F/P,在极对数p不变的情况下,同步转速n和电源频率f成正比。
连续地改变供电电源频率,就可以平滑地调节电机的转速,被称之为变频调速。
水泵为平方转矩负载,即水泵的负载转矩与转速的平方成正比,而水泵的轴功率与转速的立方成正比。
由此可知,当要求出水量减少时,可使电机转速降低,而电机转速的微量减小,将使输出功率大幅下将。
变频变压供水在闭式系统中的应用性能曲线如图2.1所示。
当系统流量从QA降为QB时,水泵转数从NA变为NB,工况点为B点,节约了BB‘这段扬程所耗功率。
并且水泵的运行工况点落在AB抛物线上,抛物线的顶点为原点,其运行工况为相似工况。
在现代工业和经济生活中,随着电力电子、微电子以及现代控制理论的发展,交流变频调速技术作为高新技术、节能技术已经应用于各个领域,具有高效、节能和智能化的特点。
把交流变频应用于鼠笼式电机的调速,易于构成功率因数高、输出谐波小、启动平稳、调速范围宽等一系列优点的智能化调速系统。
而对风机和水泵类负载而言,采用变频技术,无论在电能消耗还是在设备使用寿命方面都有其它调速方法无可比拟的优越。
H(m)
A
图2-1变频节能供水系统流量和扬程关系曲线
变频调速稳定供水压力的基本思路如下:
假定水泵出水口的压力要求为H0,即为变频供水工作的目标值,实际压力用H1表示。
在正常用水范围内,变频供水系统始终维持水泵出水口的实际压力。
若用户的用水量不变,则变频泵恒速运行,系统便处于稳定的运行状态,若用水量发生变化:
(1)当用水量加大时,实际压力值下降,H1 (2)当用水量减小时,H1有大于H0趋势,应控制变频器带动水泵减速运行直到H1=H0。 如图2-2所示,当用户将系统压力恒定为HA时,水泵对应的运行工况点为A,流量为QA,压力为HA,当系统流量由QA降为QB时,水泵扬程升为HB‘时,这时变频控制器收到信号,将水泵转速由NA降为NB,使水泵扬程控制在HA,B点为变转速后的运行工况点。 同理,如流量从QB降为QC时,转速变为NC,C点为变转速后的运行工况点,且C点处水泵扬程维持为HA。 这样水泵在运行过程中。 节省了BB’、CC‘这段不必要的扬程, 这就是节能供水的节能原理。 从上述的节能原理分析可以看出,水泵的运行工况点始终维持在扬程为HA的水平线上。 这样使整个系统在运行过程中。 始终维持了最不利点所需压力,保证了系统的安全运行,节约了部分能耗,但根据水泵相似定律的特例—比例律的相似条件,变频节能供水系统中,水泵的运行工况点不是相似点,因为所有工况点为一条水平直线,而非一条以原点的相似工况抛物线。 H(kpa) 图2-2变频节能供水系统流量和转速关系曲线 (1)滞后性 供水系统的控制对象是用户管网的水压,它是一个过程控制量,同其他一些过程控制量(如: 温度、流量、浓度等)一样,对控制作用的响应具有滞后性。 同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。 (2)非线性 用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响,同时又由于水泵的一些固有特性,使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比,因此高楼水压节能控制系统是一个非线性系统。 (3)多变性 高楼水压节能控制系统要具有广泛的通用性,面向各种各样的供水系统,而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异,因此其控制对象的模型具有很强的多变性。 (4)时变性 在高楼水压节能控制系统中,由于有定量泵的加入控制,而定量泵的控制(包括定量泵的停止和运行)是时时发生的,同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数,使其不确定性地发生变化,因此可以认为,高楼水压节能控制系统的控制对象是时变的。 (5)容错性 当出现意外的情况(如突然断电、泵、变频器或软启动器故障等)时,系统能根据泵及变频器或软启动器的状态,电网状况及水源水位,管网压力等工况自动进行投切,保证管网内压力恒定。 在故障发生时,执行专门的故障程序,保证在紧急情况下的仍能进行供水。 (6)可扩充性 水泵的电气控制柜,具有远程和就地控制的功能和数据通讯接口,能与控制信号或控制软件相连,能对供水的相关数据进行实时传送,以便显示和监控以及报表打印等。 (7)节能性 系统用变频器进行调速,用调节泵和固定泵的组合进行节能供水,节能效果显著,对每台水泵进行软
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