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数字集成全变频控制恒压供水设备为什么更加节能?

字体: 放大字体  缩小字体 发布日期:2021-03-25  浏览次数:87
 摘要:变频调速增压供水从二十世纪九十年代开始在我国推广使用,是我国近二十几年来应用最为广泛的二次增压供水系统。但围绕采用变频调速供水设备的用户是否普遍都有较好的节能效果,业内却又一直存有较大争议。

 

  采用数字集成全变频控制技术研发成功的水泵专用数字集成变频控制器并将其成功应用于建筑二次供水领域,是变频调速供水设备控制技术研发进程中的关键突破和重大创举。数字集成全变频控制恒压供水设备与传统单变频、多变频恒压供水设备相比的最显著特点是高效和节能,它的推广应用将引领未来建筑二次供水设备发展的主导潮流。

 

  关键词:单变频  多变频  全变频  全变频控制恒压供水设备  高效  节能  

 

  变频调速增压供水从二十世纪九十年代开始在我国推广使用,是建筑二次供水技术的里程碑跨越。所以,变频调速供水系统也是我国近二十年来应用最为广泛的二次增压供水系统。变频调速供水设备之所以受到如此青睐,除其具有系统供水压力稳定、采用密闭系统使水质避免受到二次污染、确保饮水卫生和可实现全自动控制、运行安全可靠等诸多特点以外,更重要的一点就是大家普遍认为该系统具有很好的节能效果。

 

  但是,通过对相当一部分用户变频调速供水设备运行状况的长期观察和现场测试,围绕变频调速供水设备是否真正节能或采用变频调速供水系统的用户是否普遍都有较好的节能效果这一话题?业内却又一直存有较大争议。

 

  我们知道,影响变频调速供水系统节能效果的关键因素取决于系统中所选用的变频调速供水设备是否能长期工作在水泵高效区。而要做到这一点,又主要取决于以下二个方面:

 

  一、设计人员根据工程项目供水系统实际情况选用最合适、最匹配、最理想的水泵和水泵机组根据水泵相似定律,对同一台水泵的输出功率与转速、扬程及流量有如下关系式:

 

 

  从以上公式可以看出:当杨程不变时,水泵出水量减小,转速可同比例下降,其所需轴功率也会快速下降,能耗大幅降低。 

 

  在恒压变流量供水系统设计过程中,设计人员通常都是按系统最大设计流量选择水泵。变频调速供水设备实现节能的原理就是:当工作泵出水小于其额定流量时,水泵电机以低于工频50Hz的频率运行,水泵转速降低,所消耗的功率也相应降低,从而达到节能的目的。

 

  但是,从泵组实际运行情况来看,随着电机转速的变化,水泵和电机的效率也在变化。通常,在水泵转速100%~60%变化范围内(即水泵出水量在100%~60%变化范围内),水泵和电机的效率变化幅度不是很大,节能效果相对明显;当水泵转速低于60%时,水泵和电机的效率将显著降低,不节能或节能有限;当频率降至25Hz以下时,水泵不出水、电机不做功。

 

  而设备实际运行时系统供水流量是一个动态变化的过程。以城镇居住小区为例,其用水高峰据统计一般只占全天用水时间的20%左右,即一天中大多数时段用水需求均处于低峰、低谷状态,此时设备水泵如处于低效率区运行,势必造成电能的长时间浪费。

 

  所以,现行《建筑给水排水设计规范》、《全国民用建筑工程设计技术措施·给水排水》及各大版本《建筑给水排水设计手册》都要求工程设计人员在变频调速供水系统设计中应选择Q――H特性曲线随流量增加扬程逐渐下降、高效区段流量范围宽、无驼峰的水泵,即泵组高效区流量范围与系统日常运行过程中的流量变化范围之比例相协调。从而使泵组工作稳定,在多台水泵并联运行时安全可靠,并达到较好的节能效果。

 

  不过,令广大建筑给排水设计人员深感为难的是,设计采用变频调速供水系统的工程项目很多,地域分布范围又广,项目和项目之间的系统设计参数千差万别,每个项目供水系统每年、每季、每月、每天的用水工况都在变化,要选择到泵组高效区流量范围与系统日常使用过程中的流量变化范围基本吻合的变频调速泵组并非易事,实际上难以做到。

 

  二、研发高效区范围更宽、效率更高、更加节能的变频调速供水设备

 

  自二十世纪末开始,国内外知名度较高的多家变频调速供水设备生产企业针对用户实际运行中存在的不节能或节能有限的实际情况,都投入了大量的人力、物力和财力,潜心研发高效区范围更宽、效率更高、更加节能的变频调速恒压供水设备。而且取得了长足的进步和骄人的业绩。

 

  1、进一步提高水泵效率是一条捷径,但很可惜基本已无潜力可挖

 

  从1875年至今的130多年时间里,为了不断提高离心泵的效率,世界水泵研发制造行业的精英们做出了艰苦的努力。时至今日,想要再从整体上提高离心泵效率的空间已很微小,哪怕是仅仅提高1%,也似空中楼阁,难以如愿。

 

  2、千方百计提高泵组电机效率

 

  当变频调速泵组电机长时间处在低于50Hz 较多的频率下运行时,泵组运行工况实际上已偏离泵组高效区段,在非相似工况下的低效率区范围工作,其功率消耗也不再遵从与电机转速的三次方成正比的计算公式,泵组效率大大降低,且此时电机容易发热,引起轴承润滑油脂熔化流失,导致噪音增大、电机使用寿命降低。

 

  鉴于上述原因,业类很多厂家纷纷采用更加先进的电机材料和高效的电机形式,减少电机发热能耗损失,从而达到提高整机效率的目的。

 

  3、改变传统变频调速控制方式,采用数字集成全变频控制技术,使变频调速恒压供水设备在系统任何流量工况都同样具有明显的节能效果。

 

  变频调速供水设备主要是由泵组、管路系统和电气控制系统三大部分组成的。回顾变频调速供水设备的发展历程,在着眼最大限度提高泵组效率的同时,还得益于近三十年来电气控制元器件的多次更新换代,其泵组电气控制技术也先后经历了三个主要发展阶段。

 

  (1)早期采用由通用变频器、PLC控制器和继电器控制电路组成的变频调速控制技术(即早期单变频控制技术)

 

  早期(第一阶段)变频调速供水设备采用的电气控制技术是在传统工频运行水泵继电器控制电路的基础上增加了一个变频器和一个PLC可编程控制器,即由通用变频器、PLC可编程控制器和大量的开关、继电器、交流接触器、各类连接导线等触点开关类电气元器件和体积庞大的控制柜组成(见图1)。

 

图1  早期PLC单变频控制柜

 

  这种控制系统中的PLC可编程控制器、通用变频器虽然能使泵组根据系统流量变化变频调速运行,但因受水泵自身高效区范围较窄制约,使变频泵只在出水量100%~60% 变化区段有较明显节能效果;水泵的启动和停止依然要完全依靠继电器电路来控制,水泵的运行也只能实现自动启停和手动应急启停;且其控制电路自身控制元器件多、触点切换容易产生故障、电路元器件发热产生较大能耗(约为水泵电机额定功率的3%~5%),控制柜体积大;设备调试操作技术要求高、需专业人员根据系统工况的不同现场独立编程、整机标准化程度较低、不利于售后的维护和维修;设备运行过程中随着系统用水量的增加,水泵在变频——工频转换(即加泵)时,新投入运行的水泵从零流量至变频软启动正常供水通常会存在一个时间差(36s~180s),引起系统流量和水压的波动,给用户正常使用带来影响。

 

  由于存在上述不足,加上变频器当时国内不能生产,进口价格昂贵,导致这种继电器电路单变频控制技术为新的数字化电路水泵变频控制技术所取代而逐渐退出历史舞台,目前已极少在变频调速供水设备中应用了。

 

  (2)局部数字化电气电路变频调速控制技术(即中期单变频、多变频控制技术)

 

  中期(第二阶段)采用的由一台或多台通用变频器、内置PID技术的水泵专用半导体数字集成控制器(见图2)组成的泵组电气控制电路替代早期由通用变频器、PLC可编程控制器、触摸屏、PLC功能扩展模块、继电器元件、连接导线组成的继电器控制电路。即由半导体数字集成控制电路取代继电器控制电路。

 

图2  半导体数字集成控制器

 

  与早期采用由一台通用变频器、PLC控制器和继电器控制电路组成的单变频电气控制技术相比,这一技术的显著进步是:

 

  它通过内置PID数字集成控制技术把水泵变频与控制有可能用到的所有功能集成在一个标准化的数字集成控制器内,从而减少了继电器等电气元器件,触点少,故障率大为降低,提高了整机运行安全性、可靠性;

 

  它采用菜单式液晶显示和内置程序方式,产品标准化程度得到提高,设备维护管理更加便捷、更加人性化,无需现场调试人员现场编程,大大减少设备调试工作中人为因素的影响。

 

  这一技术尚存在的不足和缺点是:同第一阶段的变频调速供水设备的控制原理一样是通过一个变频器(单变频)及相关的电气元器件组成的控制回路,根据系统流量变化实现加泵或减泵,再通过工频、变频切换的方式达到控制一套泵组的目的。即使是为设备的每台工作水泵分别配置有变频器(多变频),它的运行模式还是这种方式,只是解决了在每台水泵启动、停止时实现软启动,有利于消除水锤现象。但整套设备还是只有一个控制系统(如图3)。泵组中的变频泵有不在水泵效率区的运行工况存在,需要用最低运行频率(25Hz)去越过此工况点,使水泵在效率区段运行,能耗浪费仍然存在(如图4)。

 

 

 

  (3)数字集成全变频控制技术(即近期全变频控制技术)

 

  为了从根本上克服这一技术的以上不足,实现在一台变频供水设备中使用二套或二套以上且相互联动的独立多控制系统来提高泵组运行的安全性和可靠性,无论系统工况流量如何变化,设备中的工作水泵始终能在高效区内运行,并且不会出现能耗浪费现象,韩国杜科株式会社经过多年的潜心攻关,终于研发成功当今世界上先进的全数字化集成电路水泵专用变频控制器。

 

  近期(第三阶段)采用数字集成全变频控制技术研发成功的水泵专用数字集成变频控制器(见图5)具有智能化程度高、扩展功能强、自身能耗小、安全可靠、操作便捷等显著特点,将其成功应用于建筑二次供水领域,是变频调速供水设备控制技术研发进程中的关键突破和重大创举。

 

图5  水泵专用数字集成全变频控制器

 

  水泵专用数字集成变频控制器既是变频器,又是控制器,整套供水设备无需再设控制柜;设备中的每台水泵(主泵、备用泵、小流量泵)均配置有专用变频控制器;每台水泵配置的变频控制器既相互独立又相互联动,使整套设备具有多个与水泵一对一相互匹配的变频和控制大脑,设备中所有水泵共享系统运行数据信息,联动均衡运行,克服工作水泵不在高效区运行现象,实现真正意义上的全变频控制运行;数字集成全变频控制恒压供水设备具有智能化程度更高、扩展功能更强、自身能耗更小、更加高效、更加节能、更加安全可靠、操作更加便捷等显著特点。

 

  经几年来的比较测试和工程应用实例数据积累,数字集成全变频控制恒压供水设备(见图6)较普通恒压变频供水设备节能率可提高12%~30%,效果十分明显。

 

图6  数字集成全变频控制恒压供水设备

 

  数字集成全变频控制恒压供水设备节能效果的大幅度提升主要是通过以下几个途径实现的。

 

  ①全变频运行设备中的每台水泵其高效区流量范围可从额定流量的100%~60% 延伸到100%~50%;

 

  图7为设备单泵额定流量20m³/h,单泵功率4kW,共3台水泵在系统供水流量为48m³/h时的全变频与单变频控制实测能耗数据比较,消耗功率降低1.895 kW/h。

 

图7  数字集成全变频恒压供水设备与普通单变频恒压供水设备能耗测试比较

 

  下表是单泵额定流量Q=20m³/h、单泵功率N=4kW,共3台水泵的同一套供水设备,在系统工况条件完全一致的前提下,供水流量在20m³/h ~52m³/h区间采用全变频与单变频控制的实测能耗数据比较:

 

 

  通过上表的实测数据我们可以清楚看出:由3台杜科DRL工作泵组成的供水设备,系统从小流量20m³/h到大流量52m³/h区间运行,全变频与单变频相比,最高节能率达到31%,最低节能率也达到3.2%;在8个流量区段连续运行,采用数字集成全变频控制比采用PLC 单变频控制更节能,平均节能率为12.3%。

 

  ②设备在多工作泵全变频运行时采用效率均衡运行模式,达到更理想的节能效果(见图8、图9)。

 

 

 

  ③ 当用户系统设计用水量较小、需配置的工作泵流量小于等于10m³/h时,设备一般按2台额定流量相同的水泵配置,并设置成互为备用、全变频运行方式。

 

  ④ 当用户用水量不均衡且持续时间较长、系统低谷用水量偏离单工作泵高效区较多且又超过设备配置的小型气压水罐供水能力时,增加配置小型水泵在低谷用水量时变频辅助运行,以避免主工作泵频繁启动,保证系统供水平稳,进一步降低设备整机运行能耗。

 

  ⑤ 控制系统中元器件和电气线路的自身电能损耗大幅度减少。

 

  把变频器和控制器集成为一体的水泵专用变频控制器不需要 PLC 可编程控制器,不需要继电器电路,不需要另配通用变频器,也没有了体积庞大的控制柜,使控制系统中元器件及电气线路的自身能耗大幅度降低 。

 

  数字集成全变频控制恒压供水设备应用前景十分广阔。除广泛应用于新建项目的建筑二次供水系统以外,还可用于上世纪九十年代采用早期单变频控制技术的变频调速供水设备老旧泵房的节能改造,以及工业给水、空调暖通循环供水系统等。

 

  2010年,沈阳自来水公司大北泵站节能改造项目经过多方面比较,采用上海中韩杜科泵业制造有限公司数字集成全变频控制恒压供水设备,改造前实测最高日耗电量321kW/h,改造后实测日耗电量仅140kW/h,是最具代表性的成功案例。

 

  2014年3月20日,我们从意大利米兰欧洲国际水展上获悉:欧盟已要求其成员国现阶段单泵功率11kW以上供水设备的每台水泵必须一对一配置数字集成全变频控制装置;从2017年1月开始,要求单泵功率 11kW 及以下供水设备的每台水泵也必须一对一配置数字集成全变频控制装置,以实现全部用户增压供水设备的每台水泵均为变频调速运行,大幅度降低水泵运行能耗。

 

  为了推动数字集成全变频控制恒压供水设备在我国的快速推广和广泛应用,由悉地国际设计顾问(深圳)有限公司和上海中韩杜科泵业制造有限公司共同主编的中国工程建设协会标准《数字集成全变频控制恒压供水设备应用技术规程》即将出版发行。

 
 
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