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      變頻調速技術在消防給水設備中的應用探討

      時間:2022-03-14   訪問量:1104

      摘要:本文介紹了環保、節能、自動壓力補償供水設備。從消防科研實踐出發,闡述了變頻調速技術在消防給水設備中的應用。以單片機電路的控制方式為例,介紹其工作原理。

      1 傳統水泵控制技術的缺點

      在傳統的水泵控制方式中,是通過調節出水口或人口閘閥來進行,人為地增加管網的阻力來達到改變流量和壓力的目的。因此,在控制過程中,過程阻力損失相應增加,但此時泵的特性曲線保持不變,葉片轉速保持不變,電機的輸入功率并沒有減少,而是損失在調整過程。經計算,當水泵的流量從100%降低到50%時,如果分別調節出水閥和人口閥,電機的輸入功率分別為額定功率的84%和60%,而水泵的軸功率僅為12.5%,即功率損耗為7< @1.5% 和 47.5%。這表明,如果沒有先進的控制措施,即使泵的設計效率為100%,其實際運行效率也可能只有百分之十或更低。傳統的控制方式導致泵長時間高速滿負荷運行,維修工作量大,設備壽命短,運行現場噪音大,影響環境。

      2 變頻調速技術原理

      變頻技術(ogy)是一種集現代電氣技術和計算機控制于一體的先進技術,廣泛應用于水泵節能、恒壓供水等領域。變頻調速的基本原理是根據交流電動機工作原理中的速度關系,即通過均勻地改變電動機定子繞組的電源頻率,來平滑地改變電動機的同步速度。 . 當電機轉速變慢時,軸功率相應減小,電機輸入功率也隨之減小。這就是水泵變頻調速的節能效果。

      眾所周知,泵的功耗與轉速的立方成正比。即P=Kn3. 其中P為泵的耗電量;n 為泵運行時的轉速;K 是比例系數。變頻調速和智能控制技術可以使水泵的運行速度隨著流量的變化而變化,最終達到節能的目的。當閥門用于控制泵的流量時,一部分有功功率被損耗浪費掉了,并且隨著閥門的繼續關閉,這種損耗會增加。如果通過降低電機速度進行控制,則可以避免閥中消耗的有功功率。這樣,在輸送相同流量的情況下,只需輸入較低的功率,即可獲得節能效果。

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      3 變頻調速技術在消防給水系統中的控制方法

      3.1 繼電器接觸器控制方式

      這是最簡單的控制類型。根據過程或外部條件的變化,依靠傳統的模擬電子技術,采用繼電器接觸器來控制泵電機的運行,以達到調速的目的。

      3.2 邏輯電子電路控制方式

      這種控制電路常采用一臺泵固定在變頻狀態,其他泵處于工頻狀態的方式??刂品绞捷^先進,但難以實現泵機組的全部軟啟動和全流量變頻調節。因此控制精度低,切換泵時水壓波動大,調試比較麻煩,工頻泵啟動時有震動,抗干擾能力弱,但系統成本低. 系統工作原理如下:當消防管網壓力下降到某一規定值(下限值)時,壓力傳感器發出信號,自動開啟穩壓泵補水,給管網加壓。當壓力上升到另一個規定值(上限)時,泵會自動停止。系統可根據需要設置消防中心聯動界面。當消防中心發出火警信號或按下消火栓按鈕時,電控柜自動開啟消防總泵滅火。

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      3.3 單片機電路控制方式

      這種控制電路比邏輯電子電路好,但在不同管網、不同供水條件下調試比較麻煩。由于系統程序預先固化在芯片中,當需要附加功能時,必須修改電路,刷新設置程序,既不靈活又不方便,控制電路的可靠性和抗干擾能力不高。

      圖1為筆者研制的ZBW系列微機控制自動恒壓供水系統的電路控制原理圖和系統框圖。該系統采用高性能單片機控制變頻調速器驅動多臺水泵,并以變頻調速啟動每臺水泵,實現自動恒壓供水。變頻穩壓泵由具有恒壓供水控制功能的變頻器控制運行。平時無火警報警時,變頻穩壓泵將消防管網注滿水并穩定電壓,使系統隨時滿足消防供水要求。當管網注滿水并穩定到設定的恒壓,且穩壓泵流量接近零并維持一段時間(時間可程序控制)時,變頻穩壓器泵自動停泵進入等待狀態,儲能罐保持穩定電壓。當管網壓力下降到某一設定壓力值時,變頻穩壓泵自動啟動,恢復恒壓穩壓。當系統接收到消防信號時,單片機控制主消防泵(根據需要一臺或多臺)依次啟動工頻,提供額定消防流量和壓力。在主消防泵已投入運行的情況下,當管網壓力不足時,由單片機控制備用消防泵自動投入運行,滿足消防水流量要求。通過與消防控制中心聯網,可根據設計方案進行自動或人工巡檢,實現消防聯動控制功能。

      自來水管網的壓力一般呈周期性變化,其壓力變化可以用函數P(t)表示,函數P(t)以時間t為變量。如果用戶需要水壓為Pv,則每個時間段需要補充的壓力是不同的,其函數公式為Py-P(t),也是時間t作為變量的函數。P(t)Py時,系統無需補壓,處于停泵狀態。但當P(t)很小時,為避免負壓對管網的破壞,此時不能進行補壓。當 P(t) 很大時,系統也會因超高壓而停止泵送。根據以上原理要求,開發設計了本設備。在設備的能量調節器上設置4個壓力值,分別是Pm、Pn、Pv、Px(數值可根據用戶和管網設置)。Pm為超低壓停泵壓力點;Pn為壓力啟動泵壓力點;Pv為用戶要求的壓力點;Px 是超壓泵停止壓力點。設備運行時,能量調節器自動監測水管網壓力變化,控制設備在不同狀態下運行。當水管網壓力P(t)達到Pn(點P1)時,設備自動開機,水泵變頻運行,補壓;隨著管網壓力的變化,當P(t)上升到Pv(P2點)時,設備自動停機,管網直接向用戶供水;當管網壓力過峰值,壓力下降到Pv(P3點)時,設備自動開始補壓;當管網壓力持續下降至谷底至Pm時(P4點),設備將自動停機,避免管網損壞和水質污染。

      在系統中,水泵起到補充自來水壓力的作用,滿足用戶對供水壓力的需求。儲能罐可以接收和儲存自來水管網的能量,還可以起到減少水泵啟動時對管網的沖擊的作用。壓力傳感器用于接收用戶管網的壓力信息,控制水泵的轉速。能量調節器接收自來水管網的壓力信息,調節控制水泵,充分利用管網的能量,避免對管網的破壞和影響??刂乒裼糜诮邮諄碜詨毫鞲衅鞯男畔⒉ζ溥M行處理,以控制水泵的啟動、停止和轉速。他們之中,能量調節器是設備的核心部件。它有3個壓力值可以隨意設置。與水管網壓力值相交時,產生4個壓力點。能量調節器將始終監控管網的壓力。每監測一個壓力點,就做出相應的判斷,并將判斷結果傳送給微機變頻控制系統,達到自動壓力補償的目的。設備的啟動方式為軟啟動,對電網和管網影響很小。由于該設備沒有儲水箱,而是直接連接管網補壓,減少了污染,降低了能耗。

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      3.4 帶比例積分微分(PID)控制器和/或可編程邏輯(PLC)控制器的控制模式 在這種模式下,變頻器的作用是為電機提供變頻電源,從而實現電機的自由運行時間。步進式調速,使輸出水壓連續變化。其中,傳感器的任務是檢測管網的水壓。壓力設定單元為系統提供所需的水壓,以滿足用戶的需要。壓力設定信號和壓力反饋信號輸入可編程控制器后,由控制器內部的PID控制程序進行計算,作為速度控制信號輸出給變頻器。壓力設定信號和壓力反饋信號也可以送入PID回路。調節器在PID回路調節器在調節器中執行操作后,向變頻器輸入調速信號。在水泵控制系統中采用變頻調速技術,調速器的控制可以是自動的,也可以是手動的。變頻器的加減速可根據需要自動調節,控制精度高。

      3.5 變頻器一體化控制方式 該控制方式將PID和PLC的功能以一體化的方式集成到變頻器中,形成了一種新型的控制應用型變頻器。由于PID運算預先固化在變頻器中,省去了PLC的設計和PID的編程,PID參數的在線調試非常容易。內置PID調節器采用優化算法,水壓調節非常平滑穩定。

      同時,為了保證水壓反饋信號值的準確性,不失值,可以對信號設置濾波時間常數,同時對反饋信號進行轉換,方便調試該系統非常簡單方便。因此,采用內置PID功能的變頻器生產的恒壓供水設備,可以降低設備成本,節省安裝調試時間。

      另外變頻器能耗管理,針對傳統變頻調速供水設備存在的不足,部分產品設計采用變頻調速和智能控制技術,因此應用了多級直接高壓逆變器、模糊控制器等裝置。 . 采用多電平直流高壓逆變器可實現高質量的電力輸入輸出、高功率因數和不間斷運行。模糊控制器能最大程度地適應被控對象的復雜性,達到控制精度高、響應速度快、控制規律簡單的目的。

      4 變頻調速技術應用于消防給水系統

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      (1)有火警信號外接輸入接口,當有火警或火警信號時,系統可自動切換到火警狀態;

      (2)系統設計有自動巡檢功能,可根據需要設置定期巡檢周期;

      (3)方便靈活配置常規水泵、消防水泵等功能水泵,方便給水泵房全自動化;

      (4)工作泵和備用泵不固定,可以定時自動旋轉,可以有效防止備用泵長期不使用時出現生銹現象;

      (5)故障自動電話撥號功能。當供水系統或變頻器出現故障時,通過內置串行通訊接口將信號與外接MODEM設備連接,自動啟動預設電話號碼和信息,并及時通知設備維修人員進行相應處理,輕松實現泵房無人值守;

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      (6)可實現網絡控制,方便樓宇自動化管理。

      消防給水系統采用變頻調速技術,實現水泵電機無級調速,根據排水量的變化自動調節系統運行參數,當水壓不足時,保持水壓恒定。用水量變化滿足消防用水要求。與傳統消防供水方式相比,在設備投資、運行經濟性、系統穩定性、可靠性、自動化等方面具有不可比擬的優勢,節能效果顯著。

      水泵控制系統采用變頻調速技術,具有調速性能好、節能效果顯著、運行過程安全可靠等優點。在大力提倡節約能源的今天,推廣使用這種融合現代先進電力電子技術和計算機技術的高科技節能裝置,對于提高勞動生產率、降低能源消耗具有重要的現實意義??梢哉f,變頻調速技術是一項利國利民、應用前景廣闊的高新技術。

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      變頻調速技術在消防給水設備中的應用探討

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