隨流變壓供水節能系統的製作方法

2023-05-26 12:52:41

隨流變壓供水節能系統的製作方法
【專利摘要】隨流變壓供水節能系統，包括有若干臺水泵的水泵機組和與水泵機組相連的進水、出水管網，在輸出的主管路中，安裝有流量傳感器和壓力傳感器，流量傳感器和壓力傳感器分別通過模數轉換器、數據線和計算機控制器相連，計算機控制器通過數模轉換器和變頻調速器相連，變頻調速器和一臺變速水泵相連，計算機控制器還通過交流接觸器和水泵機組中其它的不變速水泵相連。本實用新型在恆壓節能供水的基礎上進一步研究解決了剩下的節能空間，提出了一種隨流變壓供水節能系統，對降低自來水生產成本，提供經濟效益和緩解電能供需矛盾都有重大意義。
【專利說明】隨流變壓供水節能系統
【技術領域】
[0001]本實用新型應用於自來水生產使用，即一種隨流變壓供水節能系統。
【背景技術】
[0002]能源是發展國民經濟，提高和改善人民生活水平的重要物質基礎。節約能源，降生產時的能耗，即節能降耗成為當今時代的關鍵詞，單位GDP能耗，是各項工程技術的重要指標之一 O
[0003]電機系統電能消耗中，泵類用電量比例較大，約佔總量的20%，城鎮供水系統是泵用電量的重要領域。而電力消耗是自來水生產的主要成本之一。因此除清潔水源等其它重要指標外，通過技術改造，不斷降低自來水能源消耗成本是自來水生產企業發展的必然趨勢。
[0004]傳統供水模式有如下兩種:
[0005]一、非節能供水模式:
[0006]這種供水方式，電機在啟動過程，除採用星三角降壓過渡啟動外，運行過程中始終按額定轉速運轉，水泵按固有的H— Q特性曲線運行。而居民用水量是隨時間變化波動的，低谷流量急劇下降，用戶端壓力升高，超過管網用水實際需要的壓力，造成超楊程壓力耗損電力浪費。
[0007]如圖1所示，曲線I是水泵出廠時測定的H— Q曲線，曲線2是管網的固定特定曲線，從圖1中可以看出，工況點沿Cl、C2之間的變化，但由於水泵的特性曲線影響沿水泵H-Q曲線A0、A1、A2之間變化。用戶端壓力在變化過程中從Cl升到Al，最少流量時從C2升到A2，造成近40%超壓頭能量損失。
[0008]二、變頻調速恆壓節能供水模式:
[0009]上世紀90年代中葉，我國變頻調速技術，經進口應用，引進消化吸收，到自主開發批量生產，變頻調速技術變為成熟。因而變頻調速恆壓節能供水，在國內得到廣泛應用。
[0010]變頻調速的基本原理是水泵流量和轉速成正比，水泵的揚程和轉速的平方成正t匕，水泵軸功率和轉速的立方成正比。用戶用水量發生變化時轉速隨之變化，降低揚程，減少超壓頭電能耗損浪費。
[0011]Q/Ql=n/nl (1-1)
[0012]H/Hl=(n/nl)2 (1-2)
[0013]N/Nl=(n/nl)3 (1-3)
[0014]式中:η和nl為改變前後的轉速(HZ)，Q和Ql為改變前後的流量(M3 / h)，H和Hl為改變前後的揚程(M)，N和NI為改變前後的功率(KW)。
[0015]變頻調速恆壓供水工況點隨流量變化已經不隨水泵固有的H — Q曲線變化限制，此時，水泵H — Q曲線不是一條固定的曲線而是隨轉速變化的曲線族，如圖2中所示曲線族從曲線3變化到曲線5，工況點不是沿H— Q曲線變化，而是沿一條直線6，即恆壓線，從Atl變化到A4O[0016]變頻調速恆壓供水，從圖2中所示可知，恆壓線以上，從恆壓線到水泵H— Q曲線3之間壓頭損失消除了，節約了因壓頭損失的用電量20%，但還有恆壓線到管網特性曲線之間的壓頭損失依然存在，還有近20%的節能空間。

【發明內容】

[0017]從【背景技術】分析中可知，變頻調速恆壓節能供水，雖能降低部分能耗，但受恆壓線限制，相對非節能供水模式還有近用電量20%的節能空間。全國用於自來水的耗電總量，應當是數量巨大，但在恆壓節能供水的基礎上進一步研究解決剩下的節能空間，其節能降耗，降低自來水生產成本，提供經濟效益和緩解電能供需矛盾都有重大意義。為此，本實用新型提出了一種隨流變壓供水節能系統的技術方案。
[0018]這種隨流變壓供水節能系統的設計方法是:
[0019]一、建立適應管網特性曲線的數學模型，使工況點按照管網特性曲線運動，消除因流量變小過程中用戶壓力升高的壓頭損失；
[0020]二、設計和製作專用隨流變頻調速的計算機控制系統，實現PID調節，通過變頻調節水泵機組中的一臺水泵的轉速，使水泵機組的工況點能隨時適應管網特性；建立隨流變壓的主控程序，使工況點完全在管網特性曲線上移動；
[0021]三、限流保壓，安全生產，創造用戶用水的最佳環境，確保供水區最高用水點高峰用水量時的壓力，也就是說通過不斷的調控，隨用水量變化使工況點運動到保證用戶安全用水時管網特性曲線的指定位置，使用戶用水水壓基本恆定；
[0022]四、增加供水系統儲水能力，低谷水時到達最大儲水量，便於用水高峰時調節。
[0023]工作原理:
[0024]隨流變頻調速的基本原理，就是通過因變頻調速產生一族H — Q水泵特性曲線，水泵特性曲線如圖3中曲線族中的曲線8、9、10和管網特性曲線11於ArQ、C6相交，其工況點隨流量變化，工作點沿管網特性曲線運動，基本消除了流量變化過程中，用戶壓力升高的壓頭損失，達到節能目的；這是單泵控制的原理，實際自來水生產都是多臺泵並聯工作的，下面運用三臺泵並聯說明多臺泵並聯工作原理，圖5b的三臺中兩臺泵Pp P2工作在工頻狀態，而另一臺Ptl工作在變頻調速狀態中。圖5a的曲線18是單臺變頻泵H— Q曲線和管網特性曲線交於B2點，對應的流量為Q1點，當兩臺工頻泵同時啟動時H— Q曲線變為曲線17，
和管網特性曲線相交於B1點，流量上升到Q4，壓力上升到,這是因為流量增大、流速加
快、壓力上升，當變頻調速泵啟動後，變速到Btl點，對應的總水流為Q5點，當調速泵速度上升50HZ時，對應最大電流為Qmax,對應的H-Q曲線為曲線19，和管網特性曲線交於Atl點。
[0025]在圖5a中，調節變頻水泵Ptl的速度工況點在管網特性曲線上Btl至B1之間運動，當流量變小變頻泵轉速下至零還不能滿足管網特性要求時，停一臺工頻泵，直到剩下變頻泵單獨工作為止，這時變頻泵要控制壓力在最小允許壓力允許值，當流量增加變頻泵轉速到50HZ時增加一臺工頻泵，直到整個泵都投入運行為止，但變速泵要限制水流量控制在最大流量允許值。
[0026]這種隨流變壓供水節能系統，包括有若干臺水泵的水泵機組和與水泵機組相連的進水、出水管網，其特徵在於，在輸出的主管路中，安裝有流量傳感器和壓力傳感器，流量傳感器和壓力傳感器分別通過模數轉換器、數據線和計算機控制器相連，計算機控制器通過數模轉換器和變頻調速器相連，變頻調速器和一臺變速水泵相連，計算機控制器還通過交流接觸器和水泵機組中其它的不變速水泵相連。
[0027]為了計算的方便，可優選的，水泵機組中共有三臺水泵，其中一臺為和變頻調速器相連的變速水泵，兩臺通過交流接觸器和計算機控制器相連，為不變速水泵。
[0028]為了計算的方便，可優選的，水泵機組中的所有水泵的結構和尺寸相同。
[0029]為了計算的方便，可優選的，水泵機組中的所有不變速水泵的結構和尺寸相同。
[0030]工作過程，如圖6中所示:
[0031](a)數據採取和傳感器檢測:由水流量傳感器和壓力傳感器分別檢測流量和壓力大小；
[0032](b)數模轉換，通過模數轉換器分別把流量和壓力信號通過數據線傳送給計算機控制器；
[0033]( c )計算機控制器接受到數據計算分析判斷後，發出數位訊號和程序控制信號，數位訊號由數據線傳送給數模轉換器，產生模擬信號到變頻調速器，指揮變速水泵運行在變頻狀態，其它工頻水泵運行的數量和臺別；指揮那些泵停止，那些泵運行，一般執行先啟動的泵先停止，先停止的泵先啟動的原則，每個循環過程中，保證每臺水泵運行一次，防止水泵停運過久生鏽；通過一臺水泵的調速和其他水泵的開、停，找到水泵機組適應管網系統的工況點，使工況點在管網特性曲線上運動。
[0034]本實用新型在恆壓節能供水的基礎上進一步研究解決了剩下的節能空間，提出了一種隨流變壓供水節能系統，對降低自來水生產成本，提供經濟效益和緩解電能供需矛盾都有重大意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1是非節能供水的工作狀況圖
[0036]圖2是變頻調速恆壓節能供水的工作狀況圖
[0037]圖3是變頻調速隨流量變壓節能供水的工作狀況圖
[0038]圖4是在供水流量相當大時的工作狀況圖
[0039]圖5a是三臺泵工作狀況圖
[0040]圖5b是三臺泵設備配置圖
[0041]圖6是三臺泵程序控制框圖
[0042]圖7是微機控制隨流變壓變頻調速節能供水裝置硬體系統圖
[0043]圖8是水泵工作示意圖
[0044]圖9是管網特性曲線數學模型推導建立的原理圖
[0045]圖中各種物理量說明:
[0046]圖1中物理量說明:Qmix用戶最小用水量，它對應揚程:Hmax，Qx用戶變化中用水量對應揚程Hx，Qmax用戶最大用水量對應揚程Hmix，Htl表示管網特性在用戶最小用水量時需要的揚程，H1表示管網特性在用戶用水量過程中所需要對應的揚程。
[0047]圖2中物理量說明:Qmix、Qx、Qmax、H。和H1同圖1，H-表示恆壓值。[0048]圖3中物理量說明:Clrnix、Qx、Qmax、Hm9c、HX、Hmax物理意義和圖1一樣，但對應關係發生變化,Qmix對應Hm?，Qx對應Hx，Qfflax對應Hmax。
[0049]圖4中物理量說明丸為為是限流保壓過程中水閥不同的開啟量對應的流量，H。、H1、H2是分別對應的揚程。
[0050]圖5 (a和b)中物理量說明=Q1是單臺工頻泵運行(P1或P2)時的流量，Q4是兩臺泵同時運行時的流量，Q5是三臺泵同時運行(Ptl為變速運行)的流量，Qmax三臺泵同時運行(Po為最高轉速50HZ)的最大流量，分別對應的揚程是H。。、H01, H02, H030
[0051]圖7中主要設備說明:QJ，流量傳感器；PJ，壓力傳感器；A/D，模數轉換器；D/A，數模轉換器；KM，交流接觸器；PC，微型計算機控制器；P17800，變頻調速器；匕、變速水泵；ΡηP2不變速水泵。
[0052]圖8是水泵工作示意圖，圖9是水泵H-Q曲線(I)和管網曲線(2)圖7和圖8是建立管網特性曲線的數學模型原理示意圖。
【具體實施方式】
[0053]下面結合附圖，用三臺泵的實施例對本實用新型詳細說明如下:
[0054]圖1是非節能供 水的工作狀況圖，曲線I為是泵，H— Q特性曲線，曲線2為管網特
性曲線，按照管網特性需求工況點只需由工作點Atl, C1, C2沿曲線2運動。但由於水泵特性
H-Q曲線限制，只能由工作點A2沿水泵H-Q特性曲線(即曲線I上)運動，造成流量在變化過程中，從Hx到H1和流量到最小值時造成Hmax到Htl之間超用戶揚程運行。功率浪費為二個曲邊三角形(O、A2, A0、0)面積，為耗電總量的40%.[0055]圖2是變頻調速恆壓節能供水的工作狀況圖，直線6為恆壓線，這種控制系統，系統壓力不隨流量變化而變化，而始終為恆壓一個定值，其工作點只能隨流量變化而平移，如圖中的Atl、A3、A4,從圖1和圖2中看到壓力損失在流量變化過程中從A1到A3和最小流量時A2到A4已經消除了，但從A3到C3，A4到C4揚程損失依然存在，功率浪費Atl、A4、A2曲邊三角形面積值消失了，但曲邊三角形依然存在。圖中為一族隨轉速變化的水泵H— Q特性曲線。
[0056]圖3是變頻調速隨流量變壓供水的工作狀況圖，這時水泵通過變頻調速產生系列的水泵H— Q曲線如圖三中轉速的11(|、114、115分別對應!1一0曲線8、9、10和管網特性曲線條分別交於使工況點完全沿管網特性曲線11運動，壓頭損失和功率浪費完全消除，相對於非節能供水節約在40%，相對於恆壓供水節約20%.[0057]圖4是在供水流量相當大、夏天炎熱等高峰用水時，並且系統水泵全部投入運行且和調速泵也調到50ΗΖ時，壓力仍不能滿足用戶要求，通過調節減少水泵出口閥門開啟量，使供水壓力上升，滿足用戶要求。
[0058]圖5是三臺泵工作原理圖，在工作原理中已經說明。
[0059]圖6是三臺泵程序控制框圖，在工作過程中已經說明。
[0060]圖7是微機控制隨流變壓變頻調速節能供水裝置硬體系統，在實用新型內容中已經說明。
[0061]圖8和圖9是管網特性曲線數學模型推導建立的原理圖。
[0062]這種隨流變壓供水節能系統的設計方法，具體實施例的步驟如下:
[0063]1、建立管網特性數學模型
[0064]圖8是建立數學模型的原理圖，當液體流過圖8中所示的管路輸送系統時，已知水泵提供的揚程，在圖中截面I一I1和2 —2 2所需要的壓頭，可用柏努力方程式求得:
【權利要求】
1.隨流變壓供水節能系統，包括有若干臺水泵的水泵機組和與水泵機組相連的進水、出水管網，其特徵在於，在輸出的主管路中，安裝有流量傳感器和壓力傳感器，流量傳感器和壓力傳感器分別通過模數轉換器、數據線和計算機控制器相連，計算機控制器通過數模轉換器和變頻調速器相連，變頻調速器和一臺變速水泵相連，計算機控制器還通過交流接觸器和水泵機組中其它的不變速水泵相連。
2.根據權利要求1所述的隨流變壓供水節能系統，其特徵在於，水泵機組中共有三臺水泵，其中一臺為和變頻調速器相連的變速水泵，兩臺通過交流接觸器和計算機控制器相連，為不變速水泵。
3.根據權利要求1或2所述的隨流變壓供水節能系統，其特徵在於，水泵機組中的所有水泵的結構和尺寸相同。
4.根據權利要求1或2所述的隨流變壓供水節能系統，其特徵在於，水泵機組中的所有不變速水泵的結構和尺寸相同。
【文檔編號】E03B11/16GK203808157SQ201420166586
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年4月8日 優先權日:2014年4月8日
【發明者】盛志方 申請人:長沙研弘自動化設備有限公司