变频调速设备在石油化工企业供水系统中的应用
随着经济迅速发展，工业企业对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；加之能源紧缺等因素，采用自动控制及通讯技术、节能、适应性强的恒压供水系统发展迅速，在企业的供水系统中得到了广泛应用。
1 变频恒压供水系统的研究现状
随着工业自动控制技术、电力电子技术的发展，变频调速产业以及变频恒压供水系统都得到发展。变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度都得到很大程度的提高。国内外都非常重视变频器及其相关附属产业的研究。现在变频器大都实现了PID调节器等硬件集成，功能模块通过设置指令代码，搭载相应的恒压供水单元，系统控制内部接触器实现控制功能。从现有资料来看，目前国内外对变频调速恒压供水系统的研究中有关水压的闭环控制研究不够充分，有关变频调速恒压供水系统的抗干扰、稳定性等方面还有待进一步研究和探索。
2 系统的工作原理、优点及主要功能
2.1 变频调速设备的工作原理
变频恒压供水系统主要由电动机、水泵、输水管路、阀门等部分组成。阀门开度不变是供水系统工作点扬程特性H=f（Qn）前提。流量Q与扬程H间为反比关系。管阻特性是指水泵转速恒定为前提，在阀门开度一定情况下，扬程H与流量Q之间的关系H=f（QG）。扬程曲线和管阻曲线交汇点为供水系统工作点，即图中A点，该点用水流量Qu和系统供水流量QG相等，系统稳定。
图1
供水系统变频调速控制的实质是交流异步电动机的变频调速。交流异步电动机的变频调速是通过改变施加在电动机定子绕组上的电源频率进而改变电动机的同步转速，最终实现调整电动机运行转速的目的。
交流异步电机的转差率定义为[1]：
s=
交流异步电动机同步转速定义为：
n =
交流异步电动机转速计算公式为：
n= （1-s）
n1：交流异步电动机空载转速；n：交流异步电动机转子转速；f：交流异步电动机电源频率；p：交流异步电动机磁极对数。
供水流量控制方法有出口阀门开度控制、原动机转速控制两种。前者通过调节出口阀门的开度调节，电动机的转速保持不变，其控制方式的实质是调整供水管路的阻力进而调整流量。原动机转速控制是改变电动机的转速达到调节供水流量的目的，系统管阻特性是固定的，而扬程特性随着水泵转速的变化而变化。根据用水量的变化，改变水泵电机的转速，使得供水管网的压力保持恒定，根据用户需要调整水的动能，而不用将大量的供水能量消耗在阀门及管网的损耗上面。
图2
由图2可知：当采用出口阀门控制供水流量时，若供水量高峰期水泵工作在图上的X点，对应流量为Q1，扬程为H0，当供水量从Q1减小到Q2时，关小出口阀门，则阀门的阻力变大，管阻曲线从β3上移到β1，而扬程特性曲线不变。而扬程则从H0上升到H1，机泵运行点从X点移至Y点，此刻，电动机输出功率用图形表示为（0，Q2，Y，H1）所包围而成的矩形部分，其数值为：
PY=
当采用调速控制供水流量时，管阻特性曲线为β2，扬程特性变为曲线n2，机泵组工作点从X点移到J点。此时电动机输出功率用图形表示为（O，Q2，J，H0）所包围成的矩形面积，其数值为：
PJ=
当采用调速控制供水流量时，所节省的能量为坐标（H0，J，Y，H1）所围成的矩形面积，其数值为：
DP=Py-pj= - =
所以，采用出口阀门控制供水系统流量时部分能量被浪费，随着阀门开度变小，供水管网的阻力增大，管阻特性曲线上移，系统运行点上移，供水扬程H1增大，被浪费的能量随之增加。调速前后流量Q、扬程H、功率P与转速N之间关系为：
= ； =（ ） ； =（ ）
2.2 变频调速系统的优点
变频调速恒压供水系统优点有：首先，提高供水质量，满足工业生产精细化管理要求。传统恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水等方式普遍存在能量转换效率低下、浪费水、电资源、系统控制自动化程度不高等缺点，变频调速恒压供水系统可有效控制供水压力的大小，实现精细化的供水管理；其次，变频调速恒压供水系统节约能源。恒压供水系统不仅避免了水资源浪费，而且还避免了供水过程中的电能的浪费；再次，变频调速恒压供水系统具有电动机软启动功能。电动机起动电流由零逐步升高至额定值，避免对电网产生冲击；最后，变频调速恒压供水系统还可以有效地消除供水管网水锤效应，水锤效应是供水系统中由供水压力突变化造成的，对供水管网及附件造成损伤，而变频调速恒压供水系统可以有效地消除这种效应 [2]。（下转第12页）
（上接第7页）2.3 变频调速供水系统的闭环控制功能
管网出口供水压力恒定是系统的控制目标：首先供水系统实现自动调节的功能。接通电源后，变频器输出的频率从0Hz逐渐上升，PID调节器随即接收来自出口压力表的反馈信号，经内部自动运算后与所给定的压力参数进行对比，自动调整电动机转速。若系统突然断电，系统则停机，而当电源恢复后就重新开始运行；其次系统具有恒压控制功能。根据用水量需求情况，变频调速恒压供水系统可以对电动机转速进行即时控制，保证恒压供水；再次系统具有系统保护功能。这个系统可以对工频电源和变频电源在供电控制回路上实现机械和电气互锁，这样可以保护电路，从而保护整个供水系统。
图3
本用户用水量情况如下：
（1）系统必保最低安全用水量：为保证消防用水需要，该流量保证必须可靠，即使在日常生产中不消耗，也必须实时保持供应，该流量为280吨/小时；
（2）系统满负荷生产用水量：当企业满负荷生产时每小时消耗的水量。该流量为680吨/小时～700吨/小时左右；
（3）系统超负荷生产用水量：极端情况下，系统最大用水量1000吨/小时。
针对企业用水需求情况并兼顾系统保安供水需求，两台工频电机采用互投备用方式；两台变频电机采用恒压调整方式。采用PLC控制器实现工频电机的互投切换及变频电机的自动投、切及调速。全系统由：执行设备、控制设备、信号检测设备组成。
工程中应注意，优化闭环控制系统PID参数值，使得系统调节兼顾稳定性、灵敏性；充分运用变频器的电动机的软启动功能，减少电流突变对电动机本体和电网的冲击，竭力消除供水管网水锤效应；鉴于变频器是电网系统中不可忽视的谐波源，在全系统软、硬件设计、施工上均考虑抗干扰和谐波处理问题，加强谐波屏蔽及可靠接地使得系统具有可靠的抗干扰能力和稳定性[3]。
4 结束语
变频调速恒压供水系统因其优良的供水质量、有效的节约能源等优点，变使其在我国工业用水系统中扮演着重要的角色，在未来供水系统发展中具有重要的现实意义和社会意义。
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