基于水厂泵站量化节能控制技术的运用与分析
摘要：水泵用电量占取、送水泵站大部分的能源消耗。对于这样大的用电领域，准确确定出其节电潜力，并对节能潜力好的泵站加以改造，避免粗放性节能估算造成节能改造效果不能保障的问题，就显得非常重要。本文以能准确测算泵站节能效果并能实施量化节能控制的泵站目标电耗节能技术在泵站中的应用进行探讨。
关键词：水厂；泵站；节能
1引言
给水行业的配水、增压泵站进行变频调速节能技术改造后,经过运行,普遍发现在使用过程中存在以下问题:
(1)在满足用户的需水量及保证供水压力的情况下,开并联泵组时,水泵节电很少甚至不节电;一台调速泵运行时,节电很少或不节电。
(2)当工况点、管网参数等情况发生变化后,且在泵站系统满足工况条件下,调速系统经常出现运行不稳定现象,从而造成节能效果不能保持最低的单位电耗值。
针对供水行业的使用情况,许多人盲目的把变频调速设备当作节能设备来看待,实际上对变频技术根本不清楚,也没有确切衡量节电效果的准确尺度。对此,本文讨论在并联泵组中,机组如何合理搭配运行以及使用调速方式,采用力控组态软件+PLC控制技术,解决对泵站节能经济运行的量化问题。
2泵站节能技术控制理论
2.1控制原理
在泵站系统的工艺参数(流量、压力)、设备参数(水泵、电机、调速装置)等确定的情况下,采用最小二乘法理论找出H-Q之间的函数关系,运用并联泵组特性曲线拟合法,自动找出一套耗能最小的运行搭配和调速方式,即优化泵组合方案(运行搭配合理的泵组工况点稳定运行在高效区间内)。该优化泵组合方案并不一定是每台水泵都能达到最优,只是指一个泵站内水泵优化组合后的总体效果,可以形象地把整个泵站内已优化组合后的每一泵组合方案看作一台“水泵”。我们把泵组合方案称为“虚拟水泵”,而这一台“虚拟水泵”在一定压力和流量下,用最小二乘法理论计算出“虚拟水泵”的特性方程和特性曲线为标准,找出“虚拟水泵”高效区的范围。当“虚拟水泵”的工况点不在高效区内运行时,控制系统可根据水泵调速的相似定理和等效率原理,通过设定参数自动调整变频泵的运行工况点,使动态运行“虚拟水泵”的工况点处在高效区内,此时单位流量耗能最小。控制原理如图1所示。
图1能耗最小的合理运行搭配和调速方式的控制原理示意图
2.2泵站节能技术现状
对泵站的参数(例如流量、压力或液位)进行控制，一是为了满足生产的工艺要求，二是可以尽量减少能量的浪费。目前人们经常使用的方法有:一是使用调速装置调节水泵的转速，来满足工艺要求;二是通过大小泵搭配，来满足不同工况下的要求;二是阀门控制;四是调节水泵叶一片角度的调节方式;五是通过回流或泻放的调节方式。
从多年的实践中体会到，虽然各种方式都可以实现满足工艺条件下的调节和控制，但是不同的控制方式或是同一种控制方式下不同的控制策略都可能会带来不同的耗电效果，有的耗电多有的耗电就少，这里有一个耗电最低(优化)的运行方法和方式。为了得到这个最佳的结果，就必须对泵站的电耗因素进行定量研究，这里之所以提到定量而不是定性，是因为只有定量才可能对节能改造的经济性和实现性作出判别，这就是泵站量化节一能技术的本质所在。
关于泵站量化节能的研究，我国在这方面已率先取得了实质性进展，其主要标志是作为国家科技部重点科技成果推广讨一划项目、国家发改委重大高技术产业化项目一泵站目标电耗节能技术及产品的研发成功。
3技术设计与实现
3.1泵站的工艺流程及控制流程
3.1.1泵站的工艺流程
哈尔滨制水有限责任公司供水三厂日供水能力65万吨，是东北地区最大的水厂，担负着全市80%以上的供水任务，是以松花江为水源的地表水厂。首先由二水厂抽取松花江水增压后送至供水三厂，经过混合、沉淀、过滤等工序处理后送至4个清水池，由只个送水泵站送往市区不同的管网，其中送水二泵站为引进外资设备建设的，在三个送水泵站中送水量最大，使用设备最先进，自动化程度最高，93年投入使用，配备了日本横河集散控制系统(DCS),泵站高、低压配电、水泵、电机、控制柜等全套设备为奥地利ELIN提供，7台20LN型水泵，水泵电机功率650kW，其中4台为定速水泵，3台为变频调速水泵。
配水水泵在清水池水位有效水深1.8m以上时,为自灌式;1.8m以下需进行真空吊水。水泵开停台数,根据清水池的水位、服务压力和流量的参数自动优化组合,并把机泵的运行状态通过PLC的I/O接口及时传送给力控组态软件实时数据库,使值班人员随时监控各机泵运行情况;排水泵根据集水坑水位、真空泵根据真空吊水要求自动确定开、停泵。在电气回路中,高、低压开关柜倒闸均为人工操作,电量和仪表数据记录自动传输,值班人员可从显示屏上及时看到每一台虚拟水泵的单位流量电耗值和其他参数。
3.1.2泵站的控制流程
泵站内的机泵控制,可采用现场手动控制方式、半自动控制方式、全自动控制方式,运行机泵出现故障时,备用机泵自动开启。
设定“虚拟水泵”的参数(流量、压力),显示屏上同时显示“虚拟水泵”的理论Q-H特性曲线和管网特性曲线。根据每一台“虚拟水泵”对应的理论单位流量电耗值,选择“虚拟水泵”方案,并输出所选的方案。在机泵起动前,系统自动检测清水池水位状态、泵停止状态、泵非故障状态、泵运行状态、变频器非故障状态、阀门的位置状态信号是否正常。若不正常,停止开泵;若信号正常,依次起动调速泵、定速泵,自动打开对应出水阀门。“虚拟水泵”运行正常后,可从显示屏上监控“虚拟水泵”理论特性曲线与该“虚拟水泵”实际叠加后动态特性曲线的拟合情况,值班人员很快能知道“虚拟水泵”工况点是否运行在高效区。若“虚拟水泵”的实时单位流量电耗值超过理论单位流量电耗值,系统则发出声、光报警信号,及时通知值班人员,用本地控制方式由值班人员手动控制调节,使“虚拟水泵”的工况点运行在高效区内。若以上有任一信号不正确,管网压力和流量即使满足要求,也不能开泵,同时发出报警信号。另外,每一台机泵的运行实时电流超过本身正常的额定电流,且延时8s时,发出故障报警信号,并紧急停泵。水泵若未能按程序操作,则报警。每台水泵电机发生故障,都可以自动关闭对应阀门,并发出故障报警信号,同时备用泵自行投入运行。PLC接到关泵指令,先关闭对应出水阀门,水泵再停止运转。排水泵的控制逻辑和高、低压配电的监控参数由PLC单独控制。
图2程序监控流程图
3.2软件的设计与实现
根据泵组合理运行搭配及调速理论、控制流程,程序监控流程图如图2所示。
4实际应用
2003年9月，使用泵站目标电耗节能控制系统对原有水泵设备控制系统进行改造。泵站目标电耗节能控制系统山上位机、目标电耗控制拒、在线节能控制软件、组态软件等组成。
上位机和目标电耗控制柜通过MPI总线连接，目标电耗控制柜由PLC、继电器、端子等组成，和原有的DCS柜通过电缆进行端子侧连接。模拟量输人如流量、压力、液位、电流等为1-5V电压信号，模拟量输出如变频器转速控制信号为4-20mA电流信号，开关量输出如开泵、关泵、开阀、关阀等，开关量输人如泵运行状态、阀全开状态、阀全关状态等，通过电缆并联或直接取代等方式与目标电耗控制柜端子连接。
目标电耗控制系统有计算机手动和计算机自动两种控制方式，用户可根据情况选择使用。
目标电耗控制系统能够根据不同的泵站，通过实时监测流量、压力、温度等工艺参数，自动寻找并给出在满足工艺要求条件下最优化的机组组合及调速策略，实时保证泵站系统始终处于最省电的运行状态。
目标电耗控制系统通过在线节能软件调控，对泵站系统起到调节、稳定作用，能够对泵站系统(水泵、电机和调速设备等)的运行起到稳定和延长设备使用寿命的多重效果。
目标电耗控制系统能够对泵站的一些重要参数进行在线保存，对泵站实时和历史运行状况一目了然，便于管理、分析和检查。
对原有水泵设备控制系统进行改造前，首先使用“泵站目标电耗测算软件”对送水二泵站系统进行分析和测算，发现在原有工况下年均还有7%左右的节电潜力，9月份使用泵站目标电耗节能控制系统对此水厂泵站进行节一能改造，未使用泵站目标电耗节一能控制系统前的6月份平均送水电单耗为136.56kWh/km3，总管压力0.3-0.38Mpa，使用泵站目标电耗系统后的10月份正常送水平均送水电单耗为129.44kWh/km3，总管压力0.3-0.38Mpa，节电比例为5.21%，与去年同期比节电效果8.36%;使用泵站目标电耗系统后的11月份正常送水平均送水电单耗为127.9kWh/km3，总管压力0.3-0.38Mpa,节电比例为6.34%，与去年同期比节电效果工0.75%，实际效果与改造前的测算结果相符，节电效果显著。
5结束语
实践经验表明，使用泵站目标电耗测算软件对泵站系统进行分析，可以比较准确地知道泵站的节能潜力;使用泵站目标电耗系统，可得到接近于预测的节能效果。说明该技术先进，节能效果显著，值得大力推广应用。
参考文献
[1]姚福来等.泵站节电潜力的量化计算.变频器世界，2002(6).
[2]姚福来等.水泵变频调速的节电量计算及系统设计.北京:科学出版社，1998.
[3]姚福来等.泵站节能改造的回收期计算.节能，2003(4).
[4]姚福来.确定大型调水工程的目标电耗的重要性.水利水电科技进展，2003(5).