滴台净水厂工艺改造升级方案研究--毕业论文

1、硕士学位论文抚顺市滴台净水厂工艺改造升级方案研究Study on process upgrading plan of water purification plant in Fushun作者姓名 指导教师 学科专业市政工程给排水二零一六 年 十一 月 日学位论文书脊抚顺市滴台水厂低温低浊水处理改造研究辽宁工程技术大学样式： 第3章 恒压供水系统在自动化水厂中的应用滴台水厂是抚顺市20世纪中期建设的，水厂整体设施随着时间的推移逐渐老旧，传统的继电器技术在日新月异的科技进步中渐渐落后。本着节约能源，降低无用效率，保障工人工作环境的目的上，我们对滴台水厂泵站改造进行了一系列的探讨。 3.1恒压供水技

2、术在实际生产中的优点3.1.1.工作原理变频恒压供水系统的是由变频器及继电器控制柜、电动机、水泵、管网和稳流罐等构成。通过点节点压力表输出的反馈信号通过D/A转换传回变频器，与变频器给定信号进行对比（一般情况下给定信号为数字信号，节点反馈信号为电信号0-10V或4-20ma），通过信号差异调节电动机转速，使反馈信号无限趋近于给定信号来实现变频恒压供水的。因此，恒压供水系统变频调速的其实就是调节电动机的转速。3.1.2恒压供水节能理论恒压供水系统的节能是通过变频器来实现的，老旧的供水系统一般采用恒转速工频运行，通过值班人员观察压力表的变化控制阀门开启度的大小来实现，阀门不完全开启，会对管网产生较

3、大的水头损失，机泵在较大压力下运行，耗电量大大增加，此外通过观察压力表手动开关阀门，对阀门开启的精准度手动操作的主观性，人为因素较为明显。用户用水量是供水系统的只管反馈对象。当供水需求用量发生变化时，供水系统也应及时做出响应的调节，以适应流量的变化。对供水流量的调节方式主要有阀门开启度和变频调节转速两种方法。此外夜间用户用水量较低时，机泵工频运行，管网压力往往偏大，对管网的安全，及电量的消耗都是无益的。(1)阀门开启度调节：恒转速工频运行机泵，通过0-90度旋转阀门，调节开启圈数来控制输出流量，以适应用户的需求。这时水头损失增大，泵后至调节阀门之间压力较高。(2)变频调节转速：阀门全开，通过改

4、变电机频率，进而调节水泵转速来控制输出流量。当电机频率改变时的水泵的转速随之发生改变，水泵的杨程和流量随之改变。由于变频调速时阀门是全部开启的，管网水头损失较小，加之PID闭环运行管网压力得到恒定，避免工频运行时多余的杨程，所以变频调速系统是目前供水系统中较为合理可靠的。3.1.3 恒压供水的优点恒压供水技术是通过变频器来改变电动机频率，从而达到调节水泵转速控制水泵出口压力，和通过调节阀门的控制水泵出口压力的方式相比，减少了阀门处的水头损失，管阻降低，节约能耗。通过变频器运行的机泵，运行时机泵转速随频率变化而变化，较之工频运行的机泵，降低了轴承的磨损和发热，延长机泵

5、的使用寿命。变频调速电动机水泵采用降压启动方式，通过预置的启动时间逐渐加速，一般根据机泵的大小变频启动时间为10-30S，避免大型电机启动时的对电网的冲击，造成电网电压的波动，同时也可避免了电动机骤然加速造成机泵系统的振动。彻底消除水锤现象。实现变频恒压自动控制系统，通过PID闭环控制，自动改变电动机转速，避免了人为调节的误差及失误，节约人力，降低劳动成本。恒压供水系统是实现无人值守泵站必不可少的基础设施，是未来一段时间，国内水务系统实现工业自动化的发展方向。3.2自动控制系统的原理在实际工程应用中，目前供水系统最为广泛使用的就是PID闭环控制和PLC

6、控制。这里的P、I、D字母分别代表比例、积分、微分的意思。对初步设计的控制对象没有以往数据参考时，我们可以通过对现场P、I、D的参数逐步调试来实现所需达到的控制功能。这就使得PID控制技术用于广泛的工程之中。 自动控制系统的实现是通过PID闭环控制来实现的，通过远传压力表，反馈水管压力信号（电信号），通过D/A转换把电信号转换为数字信号，与给定信号进行比较计算差值，来控制水泵机组转速，使之反馈信号无限趋近于给定信号的过程。如用户用水量增大，管道内管网压力降低，点节点压力表反馈信号小于给定信号，机泵加速运转，使得管网压力增大。管网压力增大后，点节点压力表得到信号，当管网压力达到给定压力时，机泵停

7、止加速，在此转速下稳定下来。当夜间用户用水量较小时，管道内管网压力升高，点节点压力表反馈信号大于给定信号，机泵减速运转，使得管网压力降低。管网压力降低后，点节点压力表得到信号，当管网压力降低到给定压力时，机泵停止减速，在此转速下稳定下来。3.3 电气控制系统设计与实现3.3.1 电路控制方案目前国内自来水公司主要有德国西门子公司生产的变频器；德国ABB公司生产的变频器；法国施耐德公司生产的变频器，和一些国产变频器。由以德国ABB公司和西门子公司生产的变频器在实际工程中得以广泛使用。我们以ABB公司生产的ABB ACS510风机水泵型变频器为例，设计电气控制回路。ABB-ACS510本系统控制柜

8、主要由ABB-ACS510变频器、接触器、中间继电器、时间继电器、热继电器、空开、散热风扇等组成，外加电抗器、制动单元等保护措施，变频柜面板设置正转、停止、工频/变频切换旋转按钮等组成。外部管网加装点节点压力表。3.3.2 变频器工频变频切换控制接线原理 此图为变频器一托一接线原理图，根据线路图所示，当K1闭合时，远传压力表输出反馈信号，通过模拟、数字信号转换器把电信号转换成数字信号传入变频器，与变频器给定信号进行比对，通过给定反馈差异控制机泵增减速运行。当K1、K2同时闭合时变频器工频运行。3.3.3变频器闭环控制节点压力表模拟信号对应数字信号的计算 ABB ACS510变频器反馈信号接收端

9、由0-10V和4-20mA组成，通过I/O播钮控制信号的接收形式，由于点节点压力表距离变频器较远，线路电压衰减严重，实际工程中我们通常通过0-20mA来计算管网实际压力。 泵站管网压力常用压力表量程分为1.0MPA和1.6MPA两种。 实际操作一台量程为1、6MPA远传压力表，用万用表测量得反馈电流为12mA,计算管道内管网水压。根据电信号与数字信号的对应关系，4mA代表的是压力传感器的0MPA位置，20mA对应的是压力传感器1.6MPA的量程。设X为实际电流反馈量，Y为管网实际压力。反馈模拟信号（MA）420X12数字压力信号（MPA）01.6Y？根据对应关系得出I/O模拟数字信号转换公式：

10、 Y=（20-4）/1.6*（X-4） 根据模拟数字信号转换公式，将X等于12毫安代入得出，管网实际压力为0.8MPA。 同样，对于量程1.0MPA的远传压力表，在同样反馈电流为12MA的情况下得出的管网压力确不尽相同。反馈模拟信号（MA）420X12数字压力信号（MPA）01.0Y？根据对应关系得出I/O模拟数字信号转换公式： Y=（20-4）/1.0*（X-4）根据模拟数字信号转换公式，将X等于12毫安代入得出，管网实际压力为1.28MPA。3.3.4 变频器一托二控制 变频器一托二控制，是由一台变频器，控制两台水泵机组的控制方法。由此基础可以延伸出一托三直至一托多台水泵控制。变频器一托二

11、水泵控制在实际供水工程中较为实用，实际控制原理是由一台水泵变频控制，当水泵供水量无法满足管网需求时，变频器不断增速至工频运行，接触器动作，1号水泵转为工频运行，变频器切入2号水泵启动，变频控制。变频器一托二控制接线见下图。 变频器一托二电路图简易画法见下图，QF1闭合时，泵1变频启动，随着用户用水量的逐步增大，变频器频率不断升高，达到50HZ时，QF2闭合加入2号工频泵运行，1号泵转速通过反馈压力随着变频器回归合理位置。当夜间用户用水量减少时，管网压力降低，节点压力表反馈信号，变频器频率不断降低，直至QF2断开，工频泵停转，泵1由变频器控制，若变频器处于低频工作状态，变频器可以休眠，直至节点压

12、力表给出反馈信号。3.4 本章小结 本章基于ABB ACS510变频器工作原理，阐述变频器恒压供水系统在PID闭环控制运行中的节能原理，通过分析变频恒压供水的特点，对滴台水厂泵站改造进行了可行性分析。指出了目前我国供水行业的发展趋势。通过对变频器工作原理及变频柜的组成结构进行分析研究。得出结果证明合理的采用变频器调速技术，不但可以降低电能损耗，还可以提高操作人员的工作环境，降低噪声干扰。变频器结构简单，操作方便，对实现水厂无人值守化起到积极的进步意义。第四章 变频器恒压供水经济技术分析4.1、变频器工作原理变频器的工作原理是利用变频技术和微电子技术，通过调节电动机工作频率，来实现控制水泵转速的

13、。为了改变电压和频率，首先要通过整流把交流电变为直流电。再通过逆变器把直流母线电压逆变为一种可改变频率和电压的逆变交流电源。变频器主要由整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元组成。变频器实现调速功能是基于电机转速公式而实现的。公式中电机转速与电源频率成正比，通过改变电动机工作电源频率从而达到改变电机转速的目的。 电机转速公式：n =60 f（1-s）/p n=转速 f=输出频率 s=电机转差率 p=电机极对数 4.2、节能原理分析4.2.1、变频降速节能：为了保证人们日益增加的用水需求和厂区的可持续发展，在配备风机、水泵时，都会选择功率稍大一些，为人口密度的调整留有一定的富

14、余量。电机在工频满负荷运行下，除了可以达到所需流量杨程外，多余的管网压力增加了有功功率的消耗，对电能产生了浪费，在管网压力偏高时，可降低电机的运转频率，降低水泵转速，使管网在恒压的同时节约水泵运行电能。当电机转速从N1 变到N2时，其电机轴功率P的变化关系如下：P2/P1=（N2/N1）3，由此可见降低电机转速可得到立方级的节能效果。4.2.2、时时调整节能：变频器能够时时适应负载变动，根据反馈节点信号，供给最优频率，始终保持电机的输出效率高效运行。4.2.3、变频器自带软启动节能：在电机工频启动时，由于大功率电机的启动力矩较大，从电网吸收较大的额定电流，工频启动即浪费电力，又使得电网电压造成

15、波动。采用变频软启动时，启动时间较长，启动电流可以从零慢慢升到电机的额定电流，避免了工频启动电流对电网的损害，节约了电能，同时也避免了启动惯性对设备的冲击，延长了设备的使用时间。4.2.4、提高功率因数节能：电机是由定子绕组和转子绕组通过电磁感应作用而产生的力矩。绕组由于其感抗的作用。对电网来说，阻抗特性呈感性，电机在工频运行时吸收大量的无功功率，使得功率因数变低。而采用变频调速后，由于其性能已变为：交流直流交流，通过整流滤波后，负载特性发生了变化。此时变频器对电网的阻抗特性显阻性，功率因数得到很高，降低了无功损耗。4.3、实例分析4.3.1、节能实例鼓风机是一种气体加压装置；水泵是液体加压装

16、置。风机和水泵的结构和工作原理，具有很大相同点。现以鼓风机为例说明：采用变频器对风机进行控制，是减少了空气动力的节电方法，它比之一般常用的调节风门控制风量的方法，节电效果较为明显。由下图所示可以说明其节电原理：（下图：H表示压力，Q 表示流量）图中，曲线（1）为风机在恒定转速n1下的风压风量（HQ）特性，曲线（2）为管网风阻特性（风门全开）。假设风机工作在A点效率最高，此时风压为H2，风量为Q1，轴功率N1 与Q1、H2的乘积成正比，在图中可用面积AH2OQ1表示。如果生产工艺要求，风量需要从Q1减至Q2，这时用调节风门的方法相当于增加管网阻力，使管网阻力特性变到曲线（3），系统由原来的工况点

17、A变到新的工况点B运行。从图中看出，风压反而增加，轴功率与面积BH1OQ2成正比。显然，轴功率下降不大。如果采用变频器调速控制方式，风机转速由n1降到n2，根据风机参数的比例定律，画出在转速n2 风压风量（HQ）特性，如曲线（4）所示。可见在满足同样风量Q2的情况下，风压H3大幅度降低，功率N3随着显著减少，用面积CH3OQ2 表示。节省的功率N=（H1-H3）Q2，用面积BH1H3C表示。显然，节能的经济效果是十分明显的。根据流体力学公式，风量与转速的一次方成正比，风压与转速的平方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。通过变频器进行调速，当风量下降到90%时，转速也下降到90%，风压下降到原来

18、的81%，而轴功率将下降到额定功率的72.9%，如果风量下降到40%，那么转速降为40%，风压降为原先的16%，而轴功率只有额定功率的6.4%，同时还需要考虑到由于转速降低会引起的效率降低的问题，以及附加控制装置的效率也会受到影响。即便如此，这种节能效果还是非常有效的，因此在风机水泵上，采用变频调速的方式来控制风量或流量，是个有效的节能方法。同理，水泵的节能原理由下图说明：H=压力Q=流量N=轴功率在机泵恒压供水中，改变给水量（流量Q）可从上图得知：当流量Q1降至Q2若不改变水泵转速，扬程将升至B工作点，其功率可用H2Q2来计算，对应面积BH2OQ2。原A 工作点功率Q1HT图上面积AHTOQ

19、1，两者所耗功率变化不大，如果我们降低转速至（2）即可节能Q2H2Q2HT = Q2（H2HT），图DBH2HT的面积即是节能值。再如流量变至Q3若仍以额定转速运行，所需功率Q3H1，浪费能量为FCH1HT。和风机节能原理相同：水泵电机的输出功率与转速三次方成正比关系。用变频器调整转速，降低流量，可保持恒压值HT不变，若转速下降至额定转速的70%，轴功率则可下降至额定功率的34.3%，流量下降至70%3，若使扬程恒定，可使转速下降到额定转速的60%，此时轴功率是额定值的21.6，节能达78.4%，经济效益十分可观。4.3.2、节能计算对于风机、泵类设备采用变频调速后的节能效果，通常采用以下方式

20、进行计算。根据风机、泵类平方转矩负载关系式：P / P0=（n / n0）3计算，式中P0为额定转速n0时的功率；P为转速n时的功率。以一台炼铁厂热风炉的助燃风机为例，使用的是90kW的电机。运行工况以24小时连续运行，其中每天12小时运行在88%负荷（频率按45Hz计算,挡板调节时电机功耗按95%计算），12小时运行在50%负荷（频率按20HZ计算，挡板调节时电机功耗按68%计算）；全年运行时间在300天为计算依据。则变频调速时每年的节电量为：W1=90121（45/50）3300=87804kWhW2=90121（20/50）3300=303264kWhWb = W1W2=87804303

21、264=391068kWh挡板调节时的节电量为：W1=90（195%）12300=16200kWhW2=90（168%）12300=103680kWhWd = W1W2=16200103680=119880kWh相比较节电量为：W = WbWd=391068119880=271188kWh如果电价按0.7元/kWh 计算，则用变频调速每年可节约电费18.98万元。以一台鼓风机为例，使用的是100kW的电机。连续24小时不间断连续运行，其中每天12小时运行在90%负荷运行（频率约为46Hz,挡板调节时电机功耗96%），12小时在40%负荷下运行（运行时频率15HZ，挡板调节时电机功耗约为60%）

22、；全年运行300天计算。则变频调速时每年的节电量为：W1=100121（46/50）3300=79672kWhW2=100121（15/50）3300=350280kWhWb = W1W2=79672350280=429952kWh挡板调节时的节电量为：W1=100（196%）12300=14400kWhW2=100（160%）12300=144000kWhWd = W1W2158400kWh相比较节电量为：W = WbWd=429952158400=271552kWh电费：271552kWh0.5=135776元 按照抚顺市电价按0.5元/kWh 计算，通过变频调速

23、则可每年可节约电费13.57万元。 4.4、本章小结通过变频调速技术实现节能降耗是目前我国供水企业节能的一项重要方式，已在很多行业领域的电机设备中得到应用。特别对于供水企业的风机、水泵类设备在节能效果方面取得了显著成果。在本次实验中得到证明。其不仅增加了设备效率，大大减少了设备维护次数、降低了维修的费用；更是直接节约电能一半左右，直接经济效益十分明显。所以，合理的把变频器应用风机水泵生产运行当中，能够达到良好的节能效果。参 考 文 献1 严煦世.给水工程上册.第四版.中国建筑出版社,（1987）2 哈尔滨建筑工程学院主编.给水工程下册.第二版.中国建筑出版社,（1987）3 姜乃昌，陈锦章.水

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