恒压变流量的高效集群型水泵系统及运行控制方法技术领域
本发明涉及供水系统的恒压变流量的高效集群型水泵系统及运行控制方法,更具体地说,根据工矿企业恒压变流量的需求,合理配置定速泵、变速泵及变频器并构建集群型水泵,保证每台水泵在不同运行工况下都处于高效率段运行状态。
背景技术
目前,一些工矿企业用水量变化很大,传统的手动操作方式很难满足供水需求,经常出现供水不足或跑水现象,这样不仅造成水资源浪费,同时由于泵经常处于低效区,往往又造成电能的白白浪费。针对复杂给排水系统,相关文献已经公开了由多台水泵与多台变频器组成的群控水泵系统,泵组投切方式根据用水需求实现位式控制,该控制方法简单,并可以解决水资源浪费问题,同时在一定程度上提高了系统效率,但还存在如下问题:(1)水泵配置欠合理,仍有很大节能及提高效率的空间;(2)整个系统配置变频器较多,变频器价格高,一次性投资大,整个系统性价比低;(3)泵组采用硬投切方式,容易造成水锤效应,给管路系统带来极大的破坏性。
发明内容
本发明针对现有水泵配置方案存在的不足和缺陷,提供一种根据工况企业恒压、用水量连续变化规律而合理配置水泵、变频器及交流接触器的台数与额定参数的恒压变流量的高效集群型水泵系统及运行控制方法。
本发明的技术解决方案是:
一种恒压变流量的高效集群型水泵系统,包括多台水泵,全压母线,变频母线Ⅰ、变频母线Ⅱ,以单台水泵的容量来配置二台匹配容量的变频器和多个常开式交流接触器,其特殊之处是:其中一台水泵为调速泵,其余为定速泵,每台水泵配置一台驱动电动机,所述的驱动电动机分成两组Ⅰ、Ⅱ,所述的交流接触器的台数=2×水泵台数+3,第一组Ⅰ中的每台驱动电动机分别通过二个交流接触器的触点与全压母线和变频母线Ⅰ相连,第二组Ⅱ中的每台驱动电动机分别通过二个交流接触器的触点与全压母线和变频母线Ⅱ相连,变频器Ⅰ、变频器Ⅱ分别通过另外二个交流接触器的触点接在全压母线和变频母线Ⅰ之间以及全压母线和变频母线Ⅱ之间,最后一个交流接触器的触点接在变频母线Ⅰ和变频母线Ⅱ之间。
上述的水泵台数是按照以下方法确定的:
1) 首先确定用户需求的运行工况,包括扬程、最大流量及最小流量;
2) 以工况最小流量及扬程需求作为单台水泵的额定流量QN与额定扬程HN,再由实际水泵的效率ηN来选择额定轴功率参数PN=ρgQNHN/(3600ηN),ρ为液体密度,单位为Kg/m3,g为重力加速度,单位为米/秒平方;
3) 配置水泵台数
以最大流量来配置水泵的台数,水泵台数=[最大流量/单台水泵的额定流量],[]表示为取最大整数。
一种恒压变流量高效集群型水泵系统的运行控制方法,其特殊之处是:
(1)水泵启动过程
根据用户用水量的需求Q及单台水泵的额定流量QN确定待运行水泵的台数m=[Q/QN],[]表示取最大整数;当m为偶数时,两组水泵待运行的台数n1=n2=m/2,如果m为奇数时,两组水泵待运行的台数分别为n1=(m+1)/2、n2=(m-1)/2;按照每组中各台水泵启动的次数确定启动优先级,启动次数越少其优先级越高,而启动次数越多其优先级越低,各组按照启动优先级确定待启动水泵的编号;如果系统首次运行或者优先级别相同的,采用随机抽取的办法确定启动水泵的编号;由上位机检测变频器的运行状态,如果两变频器都正常,则变频器Ⅰ、Ⅱ同时对Ⅰ、Ⅱ组待启动电动机按照由小到大的编号分组逐个启动,如果变频器Ⅰ正常而变频器Ⅱ不正常,则采用变频器Ⅰ对两组电动机按照由小到大的编号分组逐个启动,如果变频器Ⅰ不正常而变频器Ⅱ正常,则采用变频器Ⅱ对两组电动机按照由小到大的编号分组逐个启动,启动时使相应的与变频母线相连的交流接触器触点闭合;如果变频器Ⅰ、Ⅱ都不正常,则不启动水泵,同时向上位机报警;水泵启动过程结束,控制系统执行变速泵调速运行过程;
(2)水泵启动过程结束后变速泵调速运行过程
当两套变频器都正常时,随机选择一个变频器作为工作变频器,另一个作为备用变频器;当两套变频器一个正常一个不正常时,选择正常的变频器为工作变频器,工作变频器最后启动的水泵就作为调速泵,而其它水泵对应的与变频母线相连的交流接触器触点断开、与全压母线相连的交流接触器触点闭合,使其他水泵作为定速泵;由参考流量与实际流量计算流量误差eq,当eq不为零时,工作变频器对调速泵进行调速,直到eq等于零为止;
(3)水泵柔性投切过程
当用户用水量变化导致所需水泵台数发生变化,也就是Δ≠0,则执行水泵柔性投切,否则保持原来状态;柔性投切过程是:当台数增加时,即Δ>0,首先通过与全压母线连接的交流接触器触点闭合将原来调速泵转换为定速泵;当Δ为偶数时,两组水泵待投入的台数Δ1=Δ2=Δ/2,如果Δ为奇数时,两组水泵待投入的台数分别为Δ1=(Δ+1)/2、Δ2=(Δ-1)/2,各组按照所述的启动优先级确定各组待投入的水泵编号;由上位机检测变频器Ⅰ、Ⅱ的运行状态,如果变频器Ⅰ、Ⅱ都正常,则变频器Ⅰ、Ⅱ同时对与两组中与待投入水泵对应的电动机按照由小到大编号的顺序分组逐个启动,如果变频器Ⅰ正常而变频器Ⅱ不正常,则采用变频器Ⅰ并使接在二条变频母线之间的交流接触器触点闭合对两组中与待投入水泵对应的电动机按照由小到大编号的顺序分组逐个启动,如果变频器Ⅰ不正常而变频器Ⅱ正常,则采用变频器Ⅱ并使接在二条变频母线之间的交流接触器触点闭合对两组中与待投入水泵对应的电动机按照由小到大编号的顺序分组逐个启动,如果Ⅰ、Ⅱ变频器都不正常,则不启动水泵,同时向上位机报警;当台数减少时,即Δ<0,首先通过与全压母线连接的交流接触器触点闭合将原来调速泵转换为定速泵,当|Δ|为偶数时,两组水泵待关闭的台数Δ1=Δ2=|Δ|/2,如果|Δ|为奇数时,两组水泵待关闭的台数分别为Δ1=(|Δ|+1)/2、Δ2=(|Δ|-1)/2,各组按照与所述启动优先级相反的顺序确定各组待关闭水泵的编号;由上位机检测变频器的运行状态,如果两变频器都正常,则变频器Ⅰ、Ⅱ同时对Ⅰ、Ⅱ组中与待关闭水泵对应的电动机按照由小到大编号的顺序分组逐个关闭,如果变频器Ⅰ正常而变频器Ⅱ不正常,则采用变频器Ⅰ对两组中与待关闭水泵对应的电动机按照由小到大编号的顺序分组逐个关闭,如果变频器Ⅰ不正常而变频器Ⅱ正常,则采用变频器Ⅱ对两组中与待关闭水泵对应的电动机按照由小到大编号的顺序分组逐个关闭,如果变频器Ⅰ、Ⅱ都不正常,则不关闭水泵,同时向上位机报警;
(4)柔性投切过程结束后变速泵调速运行过程
上位机执行变速泵调速运行,当变频器Ⅰ、Ⅱ都正常时,工作次数少的被选为工作变频器,工作次数多的作为备用变频器,当两套变频器一个正常一个不正常时,选择正常的变频器为工作变频器,工作变频器最后启动的水泵就作为调速泵,而其它水泵对应的与变频母线相连的交流接触器触点断开、与全压母线相连的交流接触器触点闭合,使其他水泵作为定速泵;由参考流量与实际流量计算流量误差eq,当eq不为零时,工作变频器对调速泵进行调速,直到eq等于零为止。
本发明的有益效果是:用多台小容量相同型号的水泵来代替一台大容量水泵,针对恒压变流量供水系统的流量变化规律,即根据负荷需求灵活调度水泵组合,合理配置水泵,与变频器与交流接触器构建集群型水泵系统。与传统的水泵群控系统相比,该方案的所有运行的水泵均工作于高效率区段,整体效率高,节能效果显著;采用两套变频器,其中一台变频器作为调速用,另一台作为备用,与传统的单变频器配置方案相比,该方案更加可靠;水泵投切时,两套变频器配合更容易避免流量突变而带来的水锤效应,实现柔性切换;两套变频器都可以作为起动设备起动水泵,代替了软启动器,可节约硬件投资;另外,两套变频器针对两组驱动电动机可以同时进行启动,大大缩短起动时间,提高了运行效率,并达到最经济效果。
附图说明
图1是本发明涉及的集群水泵系统结构图;
图2是本发明的水泵启动控制流程图;
图3是本发明的调速泵运行过程控制流程图;
图4为本发明的水泵柔性投切控制流程图。
具体实施方式
如图1所示,本发明涉及的集群型水泵系统,包括多台进行顺序编号的水泵1,每台水泵分别连接控制阀2,所述的水泵台数是按照以下方法确定的:
1)首先确定用户需求的运行工况,包括扬程、最大流量及最小流量;以扬程H=250m、最大流量Qmax=550m3/小时、最小流量Qmin=150 m3/小时为例。
2)以工况最小流量及扬程需求作为单台水泵1的额定流量QN与额定扬程HN,再由实际水泵的效率ηN来选择额定额定轴功率参数PN=ρgQNHN/(3600ηN),ρ为液体密度,单位为Kg/m3,g为重力加速度,单位为米/秒平方;以QN=150 m3/小时,HN=250m,水泵的额定效率为ηN=0.74为例,则水泵的额定轴功率为PN=ρgQNHN/(3600ηN)=140Kw。
3)配置水泵的台数
以最大流量来配置水泵1的台数,水泵1的台数N=[最大流量/单台水泵的额定流量],[]表示为取最大整数,工作时1台作为调速泵,其它水泵作为定速泵。
每台水泵1配置一台驱动电动机,同时把水泵1对应的驱动电动机分成两组Ⅰ、Ⅱ;以单台水泵容量来配置二台匹配容量的变频器,分别为变频器Ⅰ7、变频器Ⅱ8;配备全压母线1条,变频母线2条;再以单台水泵的容量来配置多个匹配容量的常开式交流接触器,交流接触器的台数=2×水泵台数+3;其中第一组Ⅰ中的每台驱动电动机3分别通过二个交流接触器的常开触点与全压母线4和变频母线Ⅰ5相连,第二组Ⅱ中的每台驱动电动机分别通过二个交流接触器的常触点与全压母线4和变频母线Ⅱ6相连,变频器Ⅰ7、变频器Ⅱ8分别通过另二个交流接触器的常开触点串联在全压母线4、变频母线Ⅰ5之间以及全压母线4、变频母线Ⅱ6之间,剩余的一个交流接触器的常开触点接在变频母线Ⅰ5、变频母线Ⅱ6之间;由上位器3对变频器Ⅰ7、变频器Ⅱ8是否为正常状态进行检测及对交流接触器的工作状态进行控制。
本实施例中水泵1为六台,编号顺序为1号泵~6号泵,驱动电动机为M1~M6并且分成两组Ⅰ、Ⅱ,第一组为驱动电动机M1~M3,第二组为驱动电动机M4~M6,交流接触器的台数=15,分别为交流接触器KM1~KM3、KM11~KM16、KM21~KM26;变频器Ⅰ7、变频器Ⅱ8的进线端分别通过交流接触器KM1、KM2的常开触点连接于全压母线4上,变频器Ⅰ7、变频器Ⅱ8的出线端分别连接于变频母线Ⅰ5、变频母线Ⅱ6上,二根变频母线Ⅰ5、变频母线Ⅱ6又通过交流接触器KM3的常开触点连接,第一组电动机M1~M3通过交流接触器KM11~KM12、KM13~KM14、KM15~KM16的常开触点与变频母线Ⅰ5与全压母线4相连,第二组电动机M4、M5、M6通过交流接触器KM21~KM22、KM23~KM24、KM25~KM26与变频母线Ⅱ6与全压母线4相连。
运行控制过程如下:
(1)水泵启动过程
如图2所示,根据用户用水量的需求Q及单台水泵1的额定流量QN确定待运行水泵的台数m=[Q/QN],[]表示取最大整数。当m为偶数时,两组水泵待运行的台数n1=n2=m/2;如果m为奇数时,两组水泵待运行的台数分别为n1=(m+1)/2、n2=(m-1)/2;按照每组中各台水泵1启动的次数确定启动优先级,启动次数越少其优先级越高,而启动次数越多其优先级越低,各组按照启动优先级确定各组待启动水泵1的编号;如果系统首次运行或者优先级别相同的,采用随机抽取的办法确定启动水泵1的编号;由上位机3检测变频器Ⅰ、Ⅱ的运行状态,如果两变频器都正常,则变频器Ⅰ7、变频器Ⅱ8同时对Ⅰ、Ⅱ组待启动电动机按照由小到大编号的顺序分组逐个启动;如果变频器Ⅰ7正常而变频器Ⅱ8不正常,则采用变频器Ⅰ7对两组电动机按照由小到大编号的顺序分组逐个启动;如果变频器Ⅰ7不正常而变频器Ⅱ8正常,则采用变频器Ⅱ8对两组电动机按照由小到大编号的顺序分组逐个启动,启动时使相应的与变频母线相连的交流接触器触点闭合,启动后从蓄水池中抽水供用户使用;如果变频器Ⅰ、Ⅱ都不正常,则不启动水泵,同时向上位机3报警。
本实施例中共有四台水泵需要启动,第一组启动优先级由高到低为:3号水泵—1号水泵,第二组启动优先级由高到低为:4号水泵—5号水泵,变频器Ⅰ7、变频器Ⅱ8都正常。启动时,变频器Ⅰ7将第一组中1号水泵、3号水泵前后启动,变频器Ⅱ8将4号水泵和5号水泵前后启动(如果变频器Ⅰ7正常、变频器Ⅱ8不正常,则由变频器Ⅰ7将Ⅰ组中1号水泵、3号水泵前后启动,然后再将Ⅱ组中4号水泵和5号水泵前后启动)。
(2)水泵启动后变速泵调速运行过程
如图3所示,当变频器Ⅰ、Ⅱ都正常时,随机选择一个变频器作为工作变频器,另一个作为备用变频器;当两套变频器一个正常一个不正常时,选择正常的变频器为工作变频器,工作变频器最后启动的水泵就作为调速泵,而其它水泵对应的与变频母线相连的交流接触器触点断开、与全压母线相连的交流接触器触点闭合,使其他水泵作为定速泵;通过上位机3由参考流量与实际流量计算流量误差eq,当eq不为零时,工作变频器对调速泵进行调速,直到eq等于零为止;
结合本实施例,变频器Ⅰ作为工作变频器,3号水泵即为调速泵,与1号水泵、4号水泵和5号水泵对应的交流接触器KM11、KM21和KM23的常开触点断开而交流接触器KM12、KM22和KM24的常开触点闭合,使1号水泵、4号水泵和5号水泵作为定速泵。
(3)水泵柔性投切过程
如图4所示,当用户用水量变化导致所需水泵1的台数发生变化,也就是Δ≠0,则执行水泵柔性投切,否则保持原来状态;柔性投切过程是:当台数增加时,即Δ>0,首先通过与全压母线4连接的交流接触器的常开触点将原来调速泵转换为定速泵,当Δ为偶数时,两组水泵待投入的台数Δ1=Δ2=Δ/2,如果Δ为奇数时,两组水泵待投入的台数分别为Δ1=(Δ+1)/2、Δ2=(Δ-1)/2,各组按照启动优先级确定各组待投入的水泵编号;由上位机3检测变频器Ⅰ、Ⅱ的运行状态,如果两变频器都正常,则变频器Ⅰ、Ⅱ同时对Ⅰ、Ⅱ组中与待投入水泵对应的电动机按照由小到大编号的顺序分组逐个启动,如果变频器Ⅰ7正常而变频器Ⅱ8不正常,则采用变频器Ⅰ7对两组中与待投入水泵对应的电动机按照由小到大编号的顺序分组逐个启动,如果变频器Ⅰ7不正常而变频器Ⅱ8正常,则采用变频器Ⅱ8对两组中与待投入水泵对应的电动机按照由小到大编号的顺序分组逐个启动,如果变频器Ⅰ、Ⅱ都不正常,则不启动水泵,同时向上位机3报警。当水泵台数减少时,即Δ<0,首先通过与全压母线4连接的交流接触器的常开触点将原来调速泵转换为定速泵,当|Δ|为偶数时,两组水泵待关闭的台数Δ1=Δ2=|Δ|/2,如果|Δ|为奇数时,两组水泵待关闭的台数分别为Δ1=(|Δ|+1)/2、Δ2=(|Δ|-1)/2;各组按照与启动优先级相反的顺序确定各组待关闭水泵的编号;由上位机3检测变频器Ⅰ、Ⅱ的运行状态,如果两变频器都正常,则变频器Ⅰ7、变频器Ⅱ8同时对Ⅰ、Ⅱ组与待关闭水泵对应的电动机按照由大到小编号的顺序分组逐个关闭,如果变频器Ⅰ7正常而变频器Ⅱ8不正常,则采用变频器Ⅰ7对两组中与待关闭水泵对应的电动机按照由大到小编号的顺序分组逐个关闭,如果变频器Ⅰ7不正常而变频器Ⅱ8正常,则采用变频器Ⅱ8对两组中与待关闭水泵对应的电动机按照由大到小编号的顺序分组逐个关闭,如果变频器Ⅰ、Ⅱ都不正常,则不关闭水泵,同时向上位机3报警。
结合本实施例,当台数增加二台时,首先通过将交流接触器KM15断开、交流接触器KM16的常开触点闭合将3号水泵转换为定速泵,各组按照启动优先级确定待投入的水泵编号为2号水泵、6号水泵,则变频器Ⅰ7对Ⅰ组中2号水泵对应的电动机M2、变频器Ⅱ8对Ⅱ组中6号水泵对应的电动机M6进行分组启动,启动时通过上位机3使常开触点KM13、KM25闭合。如果变频器Ⅰ7正常、变频器Ⅱ8不正常,则通过上位机3使常开触点KM3闭合,由变频器Ⅰ7对Ⅰ组中与2号水泵对应的电动机M2、Ⅱ组中与6号水泵对应的电动机M6进行分组启动。
(4)柔性投切过程结束后变速泵调速运行过程
上位机3执行变速泵调速运行,当变频器Ⅰ、Ⅱ都正常时,工作次数少的被选为工作变频器,工作次数多的作为备用变频器,当两套变频器一个正常一个不正常时,选择正常的变频器为工作变频器,工作变频器最后启动的水泵就作为调速泵,而其它水泵对应的与变频母线相连的交流接触器触点断开、与全压母线相连的交流接触器触点闭合,使其他水泵作为定速泵;由参考流量与实际流量计算流量误差eq,当eq不为零时,工作变频器对调速泵进行调速,直到eq等于零为止。
本实施例中变频器Ⅰ、Ⅱ都正常,变频器Ⅱ工作次数少被选为工作变频器,变频器Ⅰ作为备用变频器。