例谈冷水机组水泵变频节能方案设计与实施

文/河源理工学校 张 炜

引言

根据了解，某公司四台冷水机组水泵控制系统现场设备情况如下：日立冷水机组108KW；Grasso冷水机组110KW和90KW；开利冷水机组45KW。现对这四台冷水机组控制系统进行分析：由于原来水泵控制根据供水压力检测调节压差旁通阀，水泵本身不变速。由于没有使用变频器，水泵启动后便运行在工频状态，大大浪费了电能，更加快了机械磨损，同时也大大缩短了电机的机械寿命，因此，对这四台冷水机组水泵进行改造，势在必行。

一、原系统不足

冷水机组水泵的运行过程一直处于工频全速运行状态，如果改变供水流量则需要通过调节压差旁通阀的大小来实现。

在工作时段时，无论需要多大的供水流量，都要求水泵在工频下运行才可以满足工作环境的需要，每个月都要消耗30%左右的电能，这对电力能源是个较大的浪费。

二、系统改造方案

在该改造方案中，考虑到节能和设备损耗等因素，增加了PLC和变频器对水泵进行控制。此外，在供回水管道增加温度传感器。改造方案中通过采集现场供/回水管路上温度信号送到PLC控制站，根据温差信号做PID调节来改变变频器的运行频率调节供水流量的大小，同时又能满足工作环境的要求，最大限度的达到节能的效果。

在该控制系统中，中央控制站采用RockWell公司的MicroLogix1200系列PLC，并根据I/O模块采集到的现场设备运行数据，自动进行逻辑运算，并对变频器进行速度调节，实现全过程的闭环自动调节，更有效的达到节能的目的。现场设备采用AB公司专门针对风机泵设计的PowerFlex400系列变频器对水泵进行控制。具体可看图1所示。

三、系统实现功能

在实践运行过程检测中发现，该改造方案可以实现以下功能：1.根据供/回水管温度信号，能够自动调节变频水泵的转速；2.设定供水压力上限，当到达压力上限，系统自采取相应安全措施，并产生报警，提高系统的安全性；3.全自动控制设备运行，故障情况自动切换到备用设备。

图1 系统网络结构图

图2 变频器调速特性曲线

四、系统控制方式

该控制系统采用两种控制方式：自动控制和手动控制。一般情况下，系统运行在自动控制模式下，此时不需要任何手动操作，程序自动启动冷冻水泵和冷却水泵，并且实时采集现场温度信号并送到PLC，通过逻辑运算来自动控制变频水泵频率的调节等功能，在设备出现故障后，自动切换到备用设备，并发出报警信号。

现场控制柜有手/自动转换开关，实现系统的手/自动控制模式的转换。

在自动模式下：程序根据采集的现场仪表参数，自动控制开启变频冷冻水泵；根据供/回水管温度信号，PLC进行数据分析，并采取相应的控制操作：变频器速度调节；报警信息的显示等，在整个运行过程中全部实现闭环控制调节。

当传感器检测到回水和供水之间的温度差值加大的时候，温度信号传送给PLC，通过逻辑运算调节水泵，使之加速运行；当差值变小时，水泵减速，回归正常值。

无论那一台变频器出现意外跳闸，本系统无论在自动还是手动模式都会切换到备用变频器，指示灯和蜂鸣器报警。

程序时时采集供水压力传感器信号，并且与压力设定值上限做比较，当压力信号高于设定压力上限，系统自动停止所有变频水泵，并产生报警，有效避免了爆管现象，提高了系统的安全性。

注意：在此模式下，主水泵采用变频控制，备用水泵采用直接启动。

在手动模式下：变频水泵由现场操作人员在控制柜柜面上通过启动/停止按钮实现变频水泵的启/停，此时速度可以由操作人员通过变频器控制面板输入运行频率。

五、系统节能分析

1.节能原理

对于冷冻电机水泵控制系统，按照传统的容量设计方案，负荷在一年中实际运用比例只是占到全部的一半，大部分时间只是少量负荷在运行，浪费现象严重。所以说冷冻水定流量运行存在很大的能量浪费，所以采用变频器来控制水泵，达到最大限度的节能。变频器是通过改变电机的频率来调节电机转速，频率可无级调节，调节范围大（一般为0—400HZ），调速稳定。

变频调速用于水泵改造，具有以下独特的优点：1.起动、停止平稳，无级调速，调速范围大；2.工作可靠，能长期连续稳定运行；3.操作简单方便，维护量小；4.输出特性可满足水泵特性要求；5.节能效果显著。

图2是采用变频调速的特性曲线：由图可见，当流量从 100%下降到 80%时，能量从 100×100＝10000变为80×65＝5200，下降到60%时，能耗变为 38×60＝2280

从图2可以得出：通过变频器调速来控制水泵的运行可以达到最大限度的节约电能效果。由于电机输出功率正比于转速三次方关系，用变频器进行调速，若转速下降至额定转速的80%，轴功率下降至额定功率的51.2%（80%的三次方）,流量下降,可使转速下降到额定转速的50%,此时轴功率是额定值的12.5%（50%的三次方）。

2.节能效果

根据冷冻水控制系统现有设备运行情况分析得到：冷冻水泵：18.5KW×2（一用一备）；冷却水泵：11KW×2（一用一备）；（注：以下节能数据分析以冷冻水泵为例）

设备运行情况：1、每天24小时运行1台冷冻水泵18.5KW（一用一备）；2、每月运行30天；冷冻水泵：不采用变频器时：一台水泵：18.5KW×1=18.5KW运行时间：24×30＝720H；每月正常用电量：（18.5×1） ×720＝18.5×720=13,320 KWH

通过变频器改变冷却泵的转速，从而改变水流量，在反馈信号、PLC的PID调节、变频器三者之间的闭环系统，使得冷却泵转速和负荷统一变化，达到节能调节。

根据节能原理分析可以得到以下公式：

N、Q、P、f—水泵的额定转速，流量，轴功率、运行频率

N'、Q'、P'、f'—调速后的水泵的转速，流量，轴功率、运行频率

m、s—电机的极对数、滑差率

根据现场负荷情况分析，24个小时一台变频水泵运行，此时流量假设在80%，则变频水泵应运行在40H得：整天：W'=P't=0.512Pt

因此可得到以下运算数据：一台水泵：18.5KW×1运行时间：24×30＝720H；

正常用电量：18.5×720×51.2% ＝6,820 KWH 节省用电量：13,320－6,820＝6,500 KWH

（注：公式计算中是在理论情况下变频器节电量，但在实际应用中，由于变频器存在其他的功率损耗等，根据经验得到变频器实际节电量大约为理论节电量的80%）则：每月实际节电量＝6,500 KWH×80%=5,200 KWH，实际节电效率：5,200÷13,320×100%＝39%；得到：每月实际节电效率大约在39%。

注：1.此节能效果中，变频冷冻水泵运行流量为假设值，故最后计算节电效率为估算值；改造后节能效果和使用者的使用情况息息相关。当工作强度高、使用频繁、周围温度高时，节能效果一般；当工作强度低，不常使用，周围温度低市，节能效果可观。

六、设备清单

1.变频控制柜序号 名称 型号、规格 数量 备注1 PLC 1762-L40BWA 1 AB 2数字量输出模块 1762-OW16 1 AB 3模拟量输入模块 1762-IF4/1762-OF4 2 AB 4直流稳压电源 1606-XLE120E 1 AB 5通讯电缆 1761-CBL-PM02 1 AB 6变频器（22KW）/15KW 22C-D045/30A103 1 AB 7接触器 LC1-D11500M7C 2 施耐德8输入电抗器 ACL-0040/60-EISH 2 鹰峰9断路器（配手柄）NS160N TMD250/3P 1 施耐德10 NS100N TMD63/3P NS100N TMD63/3P 4 施耐德11 辅材、主电缆等 1 12 变频控制柜 1 2.第三方产品序号 名称 型号、规格 数量 备注1温度传感器 544-577 4 西门子2压力传感器 QBE2002-P16 2 西门子

七、系统主电路电路图

八、结束语

系统改造后，经过技术人员测试和运行，平均每月节约电能30%，得到了管理层的认可和肯定。现就改造后几个优势进行总结：

1.通过采用PLC和变频器控制，冷却水泵输出功率能够根据负载变化自动改变，节约电能效果明显。

2.在机械性能上表现抢眼：降低磨损、噪音和振动，使得设备维修周期和使用寿命大大延长，工人的劳动强度和工作环境得到了很大改善。

3.由于有了更为人性化的保护措施，系统的可靠性和工人的安全措施得到提升，生产效率有了提升。

4.设备操作方便、简单，维护也方便很多。