水位、水泵的控制方式与节能的关系

  水位(水压)控制的目的是为了保持水泵供水流量的稳定，实质是个保持物料的平衡问题。不管采用什么调节、控制手段，最终结果反映的仍然是水泵的耗电。

    为什么连续控制比断续控制效果好，可从以下几方面来看:
    一．从控制的质量要求
    双位控制的过渡过程是断续控制作用下的等幅振荡过程。被控量水位总在上、下限之间振荡，如果设定的水位上、下限范围越小，或者用水量越大，其振荡频率越高，则水泵的启、停越频繁，对电网和机械的冲击越大；这样的控制系统水泵是断续运转的，对水位也是断续控制的。
    如果采用连续控制，则被控量水位是可以连续地被控制，由于反馈控制是按水位的偏差进行控制，偏差是控制的依据，只要水位偏离给定值，系统就会产生控制作用，力图消除偏差的存在，所以其能将水位稳定在我们所要求的设定值上。也就是说变频调速供水系统能够通过PI控制功能，自动地保持供水与用水之间的平衡。其控制精度高，水位波动小。这样的控制系统水泵是连续运转的, 对水位也是连续控制的。

    二．从水泵的节能效果看
    用得最普遍的是离心式水泵，离心式水泵属于平方律负载。水泵最主要的参数是流量和扬程，供水功率与流量和扬程的乘积成正比。我们先了解下扬程特性和管阻特性。扬程特性反应了用水流量的大小对扬程的影响，即用水量越大，则供水系统的扬程将越小；水泵的转速下降，其供水能力也会下降，扬程特性将下移。而管阻特性就是为了在管路内得到一定的流量所需要的扬程；管阻特性与管道粗细、长短，阀门开度有关。
    通常对水泵的流量调节有阀门调节和调速调节两种方式，我们来看看其是怎样运行的。
    1．变阀门调节:
    启动水泵后，观察水泵出口的压力，根据压力表指示来开大或关小水泵出口阀门来调节流量，而水泵的转速则是保持不变的(即大多为电机的额定转速)。其实质就是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的管阻大小来改变流量，以满足用水量，这时管阻特性会变化，但扬程特性是不变的。启、停控制就是属于阀门控制的形式，只不过固定阀门开度后，而不常去调节阀门开度而已。
    2．变速度调节:
    用变频器对水泵进行调速，则是通过改变水泵的转速来调节流量，而水泵出口阀门是全开的。转速调节是通过改变水泵的供水能力来适应生产对流量的需求，当水泵的转速改变时，扬程特性将会改变，而管阻特性是不变的。
    比较以上两种方式，在所需流量小于额定流量的情况下，转速调节时的扬程将减小，而阀门调节时的扬程将增大。转速调节所需要的供水功率比阀门调节方式小得多，`因为此时水泵的效率几乎不变，流量随转速按一次方规律变化，而轴功率按三次方规律变化。即电动机的负载功率为:

 这就是变频调速供水有节能效果的原因。但这只是个理想公式，其并不能代表变频调速的节能效果有如此之好，原因是异步电动机在轻载时的效率与功率因数都较低。再者供水系统是由多个环节组成的；还有就是变频器的参数如果调整得不佳，仍会出现“大马拉小车”的情况，这些问题对节能效果都是有影响的。再者阀门调节和变频调节时的空载功率也不可能完全一样，只是其属于共有的, 所以我们可以将其忽略不进行比较而已。

    三．常规计算法的节电对比
    dlr设:水泵的轴功率       P1=10KW
          带水泵电机的效率  η1=0.95
          变频器的效率      ηb=0.98
    1．变阀门调节的电耗估算:
    按网友说水泵的起、停5－10分钟一个周期，我们假设水泵一天累计运行8小时，则一年的运行时间为2920小时。变阀门调节时，轴功率不变，则电机消耗的功率为:
    P=P1／η1=10／0.95=10.526KW
    则变阀门调节一年的运行电耗为:
    2920×10.526=30735.92KW
    2.变速调节的电耗估算:
    使用变频调速，由于是连续运行，所以其工作时间为8760小时，由于系连续供水，其供水流量只需要原来的1/3就可满足使用要求，故水泵转速在33%以下的时间居多，考虑到各因素影响，计算时采用供水流量为35%。在起泵初期及运行中突遇大量用水，水泵全速供水仍会占一定比例，我们这样来估算，100%流量供水占总运行时间的20%, 35%流量供水占总运行时间的80%。则可以这样估算:

则变速调节一年的运行电耗为:
    8760×1×(10.741×0.2+0.460×0.8)=22041.9KW
    因此10KW的电机，变速调节方式比变阀门调节方式可节约的年运行电耗为:
    30735.92-22041.9=8694KW
    有文献介绍，在节能计算比较时，建议采用曲线拟合的计算方法，这样比常规计算法，更能得到符合实际的结果。
    水泵大多在20Hz状态下运行能供出水吗?答案是肯定可以的。因为dlr在实施10T/h锅炉项目中，为了安全曾将给水泵变频器的下限频率设为10Hz，但在用汽负荷很小时，水位投自控时，当调节器已无输出，但水泵由于有10Hz的频率，仍在慢慢转动向锅炉供水，严重时可使水位达到100%以上。

     四．从机械性能来比较
     变阀门调节，电机的起动是全压起动，这样对电网的影响就大。起动时水泵由于加速过快，会产生“水锤效应”；而在停机时由于停机过快会产生“空化现象”。这样将造成供水系统及管路振动大、噪音也大，由于水泵是全速运转，故机械磨损也大。
     而采用变速调节时，则可对水泵进行软起动和软停车，可做到起动平稳，起动电流可控制在电机的额定电流以内，减少了起动时对电网的冲击，同时调节水量容易，还节约电能；停机时还可减少水锤效应的冲击，以减少冲击力对管道及水泵的损害，提高了供水系统的安全性。由于调速运行还可以降低水泵的机械磨损及噪音，可延长设备的使用寿命，减少了维修工作量和费用。

     五．要从使用现场的具体情况出发
     水位控制的目的是为了保持供水流量的稳定，所以用什么样的控制系统，采用什么形式的流量调节手段，应该说与使用现场的工况有很大的关系，与被控对象的特性有很大的关系，我们在这儿泛泛的谈调节问题、控制问题、节能问题，只是谈一些基本的原理及方法，但其与实际应用是有很大差别的。
    针对水泵液位控制系统，什么场合要用变频器(或电动、气动调节阀)来进行连续控制?什么场合要采用对水泵的启、停控制?都应该按生产的需求来选择控制方案。常见的大致有:
    1．如果水泵一直是处于满负荷运行的，来谈节能是不可能的，只有当用水的实际流量小于额定流量(100%)时，变频器才有用处，这时转速的变化(下降)才会有节能效益。对于这样的工况唯一能做的就是选用软起动器来控制电机的启动电流及减少冲击。
    2．一般供水系统都具有缓冲装置(如水箱、水槽等)来稳定用水流量的波动，因此就有对水位的检测问题，这才有了水位的控制需求。对于容积较大的设备，液位就相对较稳定，如:一个水塔抽一次水就可以供应用水数小时，一天才需要抽几次水，这样的系统采用断续控制就可达到目的了，只需用液位传感控制器，来控制水泵的启、停。为了减少启动电流及克服水锤效应，选台软启动器更好；变频器在这儿发挥不了作用。
    对于1、2两种情况由于水泵是全压、全速的运转，水泵的机械磨损及噪音就大。
    3．对需要连续供水的场合，如锅炉汽包水位，自来水或小区供水等场合。这样的系统水泵几乎是一直运行的，为保持水位的稳定，应选择连续供水的水位(水压)的PID控制系统。从节能出发，最好的方法就是采用变频调速了。
    所以说选择什么控制方式，并没有一个固定的模式，只要根据现场的具体情况，进行分析比较就可以选择出最符合实际的控制方案来实施。

    六．结论
     1．如果水泵运行时间长，则选择连续运行控制的变频调速是可以节省电能的。甚至可降低维修费用。象楼主的水泵起、停5－10分钟一个周期，这样的系统应该说起、停还是算比较频繁的了，因此选择变频器来进行连续控制效果是会很好的。
    2．如果水泵运行时间很短，而水泵停机时间又较长时，则没有必要选择变频调速(电动、气动调节阀)来进行连续控制。但可考虑用软起动器来解决水泵电机的起动问题，以减少起动电流对电网的冲击，对防止水锤、汽化效应是有好处的。
    3．对于用电动(气动)调节阀来控制水位的系统，仍然是属于变阀门调节方法。对这样的系统可采用变频调速来控制供水母管的压力，也是可以节能的。