基于变频器的恒压供水系统在选煤厂中的应用

潘东明

(1．中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012)

基于变频器的恒压供水系统在选煤厂中的应用

潘东明1，2

(1．中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012)

针对韩城侃达选煤厂存在生活供水压力不稳、供水不足的问题，设计了基于ABB ACS510供水专用变频器的恒压供水系统。该系统由水泵、压力传感器、变频器、阀门等组成。应用结果表明：该系统确保了选煤厂供水压力基本恒定，提高泵房的自动化程度，改善了选煤厂的生活环境，达到了稳压节能的目的，对提高选煤厂自动化水平有着深远影响。

恒压供水系统；变频器；选煤厂；PID控制

选煤厂一般建在远离城市的郊区或山区，通常有一套自己独立的供水系统。目前大多选煤厂采用的是传统的水塔、高位水箱或清水泵恒速运转的给水方式，这些供水方式都存在一定的问题，如尘埃堆积、锈蚀和细菌等产生的供水箱卫生安全问题；当用水量较大时，水塔水位下降幅度大，导致供水压力变化过大，水压不稳定，造成很多楼层，尤其是食堂、浴室、卫生间等地方出现供水不足的状况，给选煤厂的职工生活带来了诸多不便，也直接影响选煤厂的安全生产。为了改善选煤厂供水系统存在的问题，提出了基于变频器恒压供水的方案的改造设计。变频器恒压供水技术可以在保证供水压力恒定的情况下，自动根据用水量的变化调整水泵的转速，在不用水或用水量较小的情况下处于休眠状态，并根据需要自动启停水泵，从而实现工频与变频的自动切换。此系统节约电能，延长了水泵的使用寿命，减少了水泵的维修量，提高泵房的自动化程度，减少操作工人的数量，对改善选煤厂的生活条件和提高选煤厂自动化水平具有重要的意义。

1 系统控制原理

变频器恒压供水系统是一个动态系统，即根据用水量的变化调整水泵的转速，实现恒压供水的目的。流体力学水泵流量与转速、电动功率的关系可表示为:

式中：Ps为变频转速下的实际输出轴功率，kW；Pe为额定流量时的轴功率，kW；Qs为变频转速下的实际流量，m3/h；Qe为额定流量，m3/h；Hs为实际出口压力，m；He为额定出口压力，m；ns为实际转速，r/min；ne为额定转速，r/min。

由上式可知，用水量和供水量之间的不平衡集中反映在供水的压力H上，即用水量多供水量少，则供水压力低；用水量少供水量多，则供水压力大。若要保持供水系统压力的恒定，提高供水的质量，供水和用水之间需要保持一定的平衡关系，即用水量多供水量多，用水量少供水量也少。在一定压力下，根据用水量的变化调节水泵的转速，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水的要求，实现稳压节能的目的。当供水压力恒定时，实际流量下降20%，则实际转速ns也下降20%，轴功率Ps降为原来的51.2%，考虑到水泵效率降低对供水系统效率的影响，实际操作情况下，轴功率Ps可降低20%～40%。因此，通过变频器控制水泵并调速控制流量,是一种保证供水质量、恒压节能的措施[1-4]。

2 系统设计

2.1 实现方式的选择

目前变频调速供水的实现方式主要有四种方式，分别是逻辑电子电路控制方式、单片微机电路控制方式、带PID回路调节器和可编程序控制器(PLC)的控制方式、供水专用变频器。选取供水专用变频器作为变频供水的方式，这是因为该变频器综合了PID调节器以及简易可编程控制器的功能，形成了具有各种应用宏的新型变频器。由于PID运算在变频器内部，省略了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，且PID参数在线调试容易实现，不仅降低了生产成本，而且大幅度提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID调节器采用优化算法，使得水压的调节过程十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时对反馈信号进行换算，该系统调试过程简单便捷。系统采用的变频器成本仅略高于通用变频器，但其功能强大，性能优越。因此在满足工艺要求的情况下优先采用带有内置PID功能的变频器的恒压供水设备，有着低设备成本、高生产效率，节约安装调试时间的优势[5-8]。

2.2 系统结构及工作原理

系统主要由变频器ACS510、主/辅水泵、管网、压力传感器、压力变送器等组成，变频器恒压供水系统流程图如图1。

压力传感器负责对管网实际压力进行检测，经压力变送器将0～1 MPa的压力转变为4～20 mA的电流信号传至变频器的AI信号端，由变频器进行PID调节后将变频电源输出至主/辅泵。

图1 变频器恒压供水系统图流程图

该系统的核心元件为ABB公司生产的ACS510变频器。系统的全部控制逻辑由内置在ACS510变频器中的SPFC(循环软启动控制)功能实现。其控制板I/O控制连接示意图如图2所示。

2.3 系统的工作逻辑

系统中1拖2控制的主回路电路图和1拖2控制的二次回路电路图分别如图3和图4所示。结合图3-4进行分析可知，若SA旋钮位于自动位置，变频器可根据管网实际压力值与PID的给定值进行比较，自动投切1#、2#水泵并切换工/变频，具体工作逻辑如下：

(1)按下启动按钮KT，启动变频器，RO2(变频器输出继电器2)闭合，接触器KM2也吸合，此时系统禁止调制。

(2)传动单元经历一段PFC启动延时(参数8122)，此时调制仍被禁止，传动单元需等待所有接触器稳定。

(3)允许调制，1#水泵变频起动，调制从零速启动。当用水量较小时，启动1#水泵即可满足要求，此时1#泵即为调节泵，变频器根据反馈回来的实际压力值调整输出频率，使实际压力与设定压力相近。

(4)如果实际压力小于给定压力且当输出频率超过启动频率1(参数8109)时，启动延时(参数8115)后，2#水泵(辅机)即投入。当辅机启动延时完毕后，变频器自由停车，RO2打开，KM2断开，1#水泵停车。

图2 ACS510的控制板I/O控制连接示意图

(5)变频器等待PFC启动延时(参数8122)，变频器等待所有交流接触器稳定。如果此时闭合RO3(变频器输出继电器3)时，电机的交流接触器有抖动，交流接触器可能变为错误状态。

(6)变频器闭合RO3，KM4闭合。变频器连接到2#水泵电机，此时调制仍被禁止。

(7)传动单元等待PFC启动延时(参数8122)。此时调制仍被禁止，因为传动单元需要等待所有交流接触器稳定。

(8)传动单元闭合RO2，KM1吸合，将M1直接切换到电网上(恒速运行)，此时允许调制，变频器从零速启动连接在RO3的2#水泵。此时1#水泵工频运行，2#水泵变频运行。变频器根据反馈的实际压力值调整输出频率，使实际压力与设定压力相近。

(9)如果实际压力高于给定压力且输出频率低于停止频率1(参数8112)时，辅机(1#水泵)停止延时(参数8116)启动。当辅机停止延时完成后，RO2断开，这时KM1掉电，辅机(1#水泵)停止工频运行。2#水泵变成调节泵，1#水泵变成辅泵，若此时压力不足，则重复上述过程[9-11]。

若SA旋钮打到手动系统可直接实现两台泵的工频启停，同时系统可实现故障报警、无水检测自动停车等功能。

2.4 主要参数设置

变频器的参数设置是该系统性能实现的关键因素，各相关参数需要根据现场实际情况进行调整，变频器主要参数设置见表1所示。

图3 1拖2控制的主回路电路图

图4 1拖2控制的二次回路电路图

代码英文名称中文名称设置说明9902APPLICMACRO应用宏15启动SPFC宏1001EXT1COMMANDS外部1命令DI1手动启动1002EXT2COMMANDS外部2命令DI6自动启动1102EXT1/EXT2SEL外部控制选择DI2手自动切换1103REF1SELECT给定值1选择AI2手动给定信号1106REF2SELECT给定值2选择PIDOUT1自动给定源1401RELAYOUTPUT1继电器输出14故障报警1402RELAYOUTPUT2继电器输出231PFC1403RELAYOUTPUT3继电器输出331PFC1601RUNENABLE运行允许使能2007MINIMUMFREQ最小频率25Hz频率低限值2008MAXIMUMFREQ最大频率52Hz频率高限值2108STARTINHIBIT禁止启动02202ACCELERTIME1加速时间1202203DECELERTIME1减速时间1253415SIGNAL3PARAM信号3参数AI14001GAIN增益24002INTEGRATION积分时间64010SETPOINTSEL给定值选择19内部4011INTERNALSETPNT内部给定值根据需要设定4012SETPOINTMIN给定最小值根据需要设定4022SLEEPSELECTION睡眠选择信号74023PIDSLEEPLEVEL睡眠频率404024PIDSLEEPDELAY睡眠延时根据需要设定4025WAKE-UPDEV唤醒偏差根据需要设定4026WAKE-UPDELAY唤醒延时根据需要设定8101REFERENCESTEP1给定增量11.00%8109STRATFRWQ1启动频率1498112LOWFRWQ1停止频率1208115AUXMOTSTARTD辅机启动延时根据需要设定8116AUXMOTSTOPD辅机停止延时108117NROFAUXMOT辅机数量18118AUTOCHNGINTERV自动切换间隔3608120INTERLOCKS内部锁定DI38122PFCSTARTDELAYPFC启动延时根据需要设定8125ACCINAUXSTOP加速时间108126DECINAUXSTART减速时间38127MOTORS电机数量2

根据两泵控制原理及配置，以及选煤厂实际情况，配置了部分外部辅助设备，且在出厂前已调试好逻辑，根据水压的变化，变频器做出相应动作，自动切换继电器，操作方便快捷。该系统已成功应用于多个洗煤厂，图5为韩城市侃达选煤厂24 h水压波动图。从图5中可看出，水压基本稳定在设定值0.35 MPa左右，产生的波动一般都发生在早晚各个用水高峰上，表明该系统运行效果良好。

图5 侃达选煤厂24 h水压波动图

3 结 语

变频恒压供水系统根据压力信号自动启动备用泵，无级调整压力，实现了选煤厂全天恒压供水的目的。与传统供水系统相比，避免了管网破裂、开启水笼头时的共振现象以及泵的频繁启停等情况发生，变频恒压供水系统启动平滑，减少了电机水泵的启动冲击，延长了水泵的使用寿命，避免了传统供水中的水锤现象，同时变频恒压供水系统自动化程度高、空间占用小、水压稳定、水质安全。变频器可以根据实际用水量，自动控制水泵转速，达到节能的效果，保证了恒压供水的目的，为改善选煤厂的生活供水和生活质量打下了坚实的基础。

[1] 张 萍．变频器恒压供水的应用[J].应用能源技术，2003(4):35-36．

[2] 严 杰．SPFC在生活水恒压控制中的应用[J].科技向导，2012(32)．

[3] 姜校林．变频恒压供水的理论研究及其适用范围[J].通用机械，2006(10):38-40．

[4] 王瑞兰．基于变频器的恒压供水系统的设计[J].微计算机信息，2005(21):127-128．

[5] 武亚雄，李辰立，全传超．一种新型恒压供水系统的研究[J].科技情报开发与经济，2005，21(27)：157-159．

[6] 李 洁,陈 宇．基于单变频器变频调速恒压供水系统[J].化工自动化及仪表，2011(6):92-94,104．

[7] 杨柏松，熊建斌，李长庚．基于变频器内置PID模块的恒压供水系统[J].电子设计工程，2015(10)．

[8] 孟彦京，李红垒，段明亮．基于ABB ACS510变频器的多泵控制系统设计[J].电气传动，2010，40(11)：68-70,74.

[9] ABB公司．ABB ACS510变频器用户手册[Z]．2010．

[10] 吴忠智，吴加林．变频应用手册(第2版)[M]．北京：机械工业出版社，2004．

[11] 张燕宾．变频调速460问[M]．北京：机械工业出版社，2007．

Application of frequency converter-based constant-pressure water supply system in coal preparation plant

PAN Dong-ming1,2

(1.Tangshan Research Institute Co., Ltd., China Coal Technology and Engineering Group, Tangshan, Hebei 063012, China; 2. Hebei Province Coal Preparation Engineering & Technology Research Centre, Tangshan, Hebei 063012, China)

Hancheng Kanda Coal Preparation Plant is facing the trouble of a short supply of domestic water due to instability of water supply pressure. Therefore, a special ABB ACS 510 frequency converter-based constant-pressure water supply system is developed. The system consists of water pump, pressure transducer, frequency converter and valves. Practice shows that it is a energy-saving system working with basically constant water level of pump room and improve the living environment of the plant——a matter of far-reaching significance for the enhancement of the automatic level of the plant.

constant-pressure water supply system; frequency converter; coal preparation plant; PID control

1001-3571(2016)06-0076-05

TD948.6

A

2016-03-31

10.16447/j.cnki.cpt.2016.06.020

潘东明(1982—)，男，满族，辽宁省本溪市人，助理研究员，硕士，从事选煤机械及选矿工艺的研究。

E-mail：pdm04@163.com Tel：0315-7759471

潘东明.基于变频器的恒压供水系统在选煤厂中的应用[J]. 选煤技术，2016(6)：76-80.