1、變頻調(diào)速在恒壓供水系統(tǒng)中的節(jié)能原理

在流量穩(wěn)定的情況下，恒壓供水系統(tǒng)中水泵的額定轉(zhuǎn)數(shù)基本上是相對(duì)恒定的，這種情況下根本就不需要變頻調(diào)速，不需要去改變水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。但是，事實(shí)上居民生活區(qū)的用水晝夜之間存在著很大的差異，當(dāng)夜間所需水量小于正常用水量時(shí)，水泵運(yùn)轉(zhuǎn)通過(guò)閥門(mén)調(diào)節(jié)的過(guò)程中，就會(huì)有大量的能量白白消耗在管阻系統(tǒng)上。

如果將變頻調(diào)速應(yīng)用在恒壓供水系統(tǒng)中，變頻調(diào)速可以在用水需求量小的時(shí)刻降低水泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而降低水泵運(yùn)轉(zhuǎn)所消耗的能耗，從而達(dá)到節(jié)能的目的。如圖1所示。

在這里，Q表示用水量，H代表?yè)P(yáng)程。

1代表閥門(mén)關(guān)小管阻特性線，2代表閥門(mén)全開(kāi)管阻特性線，3代表電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速曲線，而4代表電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降曲線。

水泵的供水功率可表示為PG—CP+HTQ

通過(guò)對(duì)圖1的分析，我們不難看出當(dāng)水流量從QA降到QB的過(guò)程中，變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠發(fā)揮作用，使水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度下降，而閥門(mén)仍然保持在原有的狀態(tài)。在QB時(shí)，水泵的揚(yáng)程下降到HTc這一點(diǎn)，其相應(yīng)的水泵供水功率PG和圖上面積OECH成正比，分析和比較以后，我們確定圖上面積HCBF與節(jié)約的供水功率正好也成正比。

可見(jiàn)，使用了變頻調(diào)速系統(tǒng)的恒壓供水系統(tǒng)較之沒(méi)有使用變頻調(diào)速系統(tǒng)的恒壓供水系統(tǒng)確實(shí)能夠節(jié)約更多的能耗，效果顯著。

正是由于變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，目前，絕大部分居民區(qū)的生活供水系統(tǒng)都采用了這種變頻調(diào)速系統(tǒng)。

2、供水系統(tǒng)的變頻調(diào)速原理

2．1水泵調(diào)速運(yùn)行原理

全自動(dòng)變頻調(diào)速供水控制系統(tǒng)主要有PLC、變頻器、壓力變送器、液位傳感器、動(dòng)力及控制線路以及泵組組成。用戶通過(guò)控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)了解和控制系統(tǒng)的運(yùn)行。通過(guò)安裝在出水管網(wǎng)上的壓力變送器，把出口壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入PLC內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)PID運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，得到相應(yīng)參數(shù)并轉(zhuǎn)化為4～20mA電流信號(hào)并送至變頻器。

控制系統(tǒng)通過(guò)變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)供水量的調(diào)節(jié)，變頻器調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速不同、工作頻率也就不同。在變頻器設(shè)置中設(shè)定一個(gè)上限頻率和下限頻率檢測(cè)，當(dāng)用水量大時(shí)，變頻器迅速上升到上限頻率，此時(shí)，變頻器輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)給PLC；當(dāng)用水處于低峰時(shí)，變頻器輸出達(dá)到下限頻率，變頻器也輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)給PLC；兩個(gè)信號(hào)不會(huì)同時(shí)產(chǎn)生。當(dāng)產(chǎn)生任何一個(gè)信號(hào)時(shí)，信號(hào)即反饋給PLC，PLC通過(guò)設(shè)定的內(nèi)部程序驅(qū)動(dòng)I／O端口開(kāi)關(guān)量的輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流接觸器組的切換，以此協(xié)調(diào)投入工作的水泵電機(jī)臺(tái)數(shù)，并完成電機(jī)的啟停、變頻與工頻的切換。

通過(guò)調(diào)整投入工作的電機(jī)臺(tái)數(shù)和控制電機(jī)組中一臺(tái)電機(jī)的變頻轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)管網(wǎng)的工作壓力始終穩(wěn)定，進(jìn)而達(dá)到恒壓供水的目的。供水系統(tǒng)的工作原理如圖2．1所示。在供水系統(tǒng)中，控制對(duì)象是水泵，控制目標(biāo)是保持管網(wǎng)水壓恒定，控制方法是壓力信號(hào)的反饋閉環(huán)控制。

2．2水泵控制系統(tǒng)

在本文中，我們以一個(gè)實(shí)際案例做為切人點(diǎn)，如圖2．2所示。一個(gè)擁有3000余戶的多層住宅樓小區(qū)，該小區(qū)采用水箱——市政變頻恒壓供水，根據(jù)《GB／T50331—2002城市居民生活用水量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，結(jié)合前期對(duì)該小區(qū)用水情況的調(diào)研，最終確定該小區(qū)用水量約為810t／d，據(jù)此選定三臺(tái)立式柱塞泵，型號(hào)為揚(yáng)程：53m；流量：65／h；功率：15kW，根據(jù)用水量與泵組確定生活用水水箱為150。管網(wǎng)供水壓力設(shè)定為0．35MPa，運(yùn)行頻率在36～42Hz。該系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行方式。手動(dòng)方式時(shí)，按下按鈕啟動(dòng)和停止水泵，可根據(jù)需要分別控制1#～3#泵的啟停，該方式主要供設(shè)備調(diào)試、自動(dòng)有故障和檢修時(shí)使用。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，存在以下3種主要狀態(tài)：

狀態(tài)1：1#水泵變頻運(yùn)行，2#、3#未投入使用。當(dāng)前用水量正常，1#泵的工作頻率在20Hz一50Hz之間。若當(dāng)前壓力小于設(shè)定值，則升高1#泵的工作頻率，若達(dá)到工頻，則進(jìn)入狀態(tài)2；若當(dāng)前壓力等于設(shè)定值，則1#泵的工作頻率保持不變，若當(dāng)前壓力大于設(shè)定值，則降低1#泵工作頻率。

狀態(tài)2：1#泵工作頻率升至工頻，1#泵轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，2#泵變頻啟動(dòng)，若當(dāng)前壓力值等于設(shè)定值，則1#、2#泵保持工作頻率不變，若當(dāng)前壓力小于設(shè)定值，2#泵繼續(xù)升頻，當(dāng)2#泵工作頻率升至工頻，進(jìn)入狀態(tài)3。若當(dāng)前壓力大于設(shè)定值，則降低2#泵的工作頻率，當(dāng)2#泵的工作頻率低于20Hz時(shí)，1#泵停止運(yùn)行，2#泵升頻，直到壓力達(dá)到設(shè)定值。

狀態(tài)3：1#、2#泵均為工頻運(yùn)行，3#泵變頻啟動(dòng)，若當(dāng)前壓力值等于設(shè)定值，則3#泵工作頻率不變，若當(dāng)前壓力大于設(shè)定值，3#泵工作頻率下降，當(dāng)3#泵工作頻率低于20Hz時(shí)，1#泵停止工作，若此時(shí)壓力小于設(shè)定值，則3#泵工作頻率上升，若等于設(shè)定值，則3#泵頻率不變，若壓力仍然大于設(shè)定值，則降低3#泵的工作頻率，當(dāng)3#泵的工作頻率低于20Hz時(shí)，則2#泵停止工作，系統(tǒng)再次判斷當(dāng)前壓力值，此時(shí)由于3#泵工作頻率已介于20Hz臨界點(diǎn)，若管網(wǎng)正常，此時(shí)管網(wǎng)壓力會(huì)小于設(shè)定值，3#泵工作頻率一定上升。

以此類推，總之，系統(tǒng)遵循“先啟先停”原則，此外為了防止管網(wǎng)壓力變化小而導(dǎo)致總是一臺(tái)泵工作，故在系統(tǒng)中設(shè)定倒泵程序，每臺(tái)泵累計(jì)工作24小時(shí)(此時(shí)段可設(shè)定)，就要停止工作，順延下一臺(tái)水泵進(jìn)入工作，但是恒壓優(yōu)先級(jí)最高，也就是說(shuō)，當(dāng)一臺(tái)或兩臺(tái)水泵在滿負(fù)荷輸出時(shí)仍然無(wú)法保證當(dāng)前壓力達(dá)到設(shè)定值，則第二臺(tái)或第三臺(tái)即使在已經(jīng)工作滿24小時(shí)的情況下仍然不會(huì)退出工作。

在系統(tǒng)工作時(shí)，為了防止由于管網(wǎng)壓力波動(dòng)而導(dǎo)致加減泵頻繁動(dòng)作，系統(tǒng)中設(shè)定加泵延時(shí)2min、減泵延時(shí)2s(兩處時(shí)段均可設(shè)定)，這樣有效的控制了由于水泵頻繁啟停而對(duì)其自身的影響。

為了進(jìn)一步節(jié)能，本系統(tǒng)采用水箱一市政變頻供水方式，當(dāng)市政來(lái)水壓力不小于0．05MPa，時(shí)，系統(tǒng)水源采用市政來(lái)水，此時(shí)系統(tǒng)采用疊壓供水方式，水泵輸出功率降低，起到節(jié)能作用。當(dāng)市政來(lái)水壓力不足0．05MPa時(shí)，系統(tǒng)水源切換至水箱供水，當(dāng)市政來(lái)水壓力大于0．08MPa時(shí)，系統(tǒng)由水箱切換至市政供水。為確保水箱內(nèi)存水每天能夠更換，系統(tǒng)強(qiáng)制要求在每天上午10：00～下午14：00強(qiáng)制水箱供水(此時(shí)間可通過(guò)時(shí)控開(kāi)關(guān)設(shè)定)，這樣既保證了節(jié)能，又保證了水質(zhì)。如圖2．2

2．3水位控制系統(tǒng)

在水箱內(nèi)設(shè)有遙控浮球閥和液位計(jì)，遙控浮球閥控制水箱進(jìn)水，液位計(jì)由探頭與信號(hào)線組成，探頭置于水箱底部，將液位高度通過(guò)壓差轉(zhuǎn)化為4～20mA電流信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，我們給水箱標(biāo)定5個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)水位到達(dá)這個(gè)高度時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)相應(yīng)的控制。這五個(gè)節(jié)點(diǎn)自下而上分別為水箱超低水位線(A)，水箱低水位線(B)，水箱高水位線(C)，水箱高高水位(D)，水箱超高水位線(E)。其含義分別為：

水箱超低水位線(A)：當(dāng)水位到達(dá)此位置時(shí)，被系統(tǒng)認(rèn)為液位計(jì)對(duì)于液位到達(dá)B點(diǎn)時(shí)的控制失靈，為了保證供水安全，系統(tǒng)停止工作并報(bào)警。

水箱低水位線(B)：當(dāng)液位到達(dá)此位置時(shí)，水泵停止工作。系統(tǒng)判斷水箱存水不足，待液位回升到C點(diǎn)時(shí)，再恢復(fù)供水。

水箱高水位線(C)：液位到達(dá)此位置時(shí)，水泵重新啟動(dòng)供水。

水箱高高水位線(D)：此位置與(E)點(diǎn)形成互鎖，當(dāng)液位回落到達(dá)此位置時(shí)，進(jìn)水電動(dòng)閥打開(kāi)。

水箱超高水位線(E)：該節(jié)點(diǎn)位置位于水箱進(jìn)水浮球閥與水箱溢流1：3之間，其作用是當(dāng)進(jìn)水浮球閥失效，水位到達(dá)此節(jié)點(diǎn)位置時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉進(jìn)水電動(dòng)閥同時(shí)報(bào)警。如圖2．3

3、變頻恒壓供水的優(yōu)勢(shì)

變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)與傳統(tǒng)的供水方式相比，它能夠維持24小時(shí)恒定壓力，還能根據(jù)壓力信號(hào)大小實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)壓力調(diào)整，避免由于壓力造成的管網(wǎng)破裂和水龍頭開(kāi)啟時(shí)的共振現(xiàn)象。近年來(lái)，變頻恒壓供水系統(tǒng)漸漸取代了以往的高位水箱和壓力罐供水設(shè)施，不僅大大節(jié)省了資金和設(shè)施占地空間，還能夠減少水泵的損耗，大大延長(zhǎng)水泵的使用壽命。變頻恒壓供水系統(tǒng)能夠有效避免傳統(tǒng)供水方式中啟停時(shí)的“水錘效應(yīng)”，避免供水系統(tǒng)中水壓不穩(wěn)，同時(shí)減少水質(zhì)污染問(wèn)題的出現(xiàn)。

變頻恒壓供水系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶的實(shí)際用水情況，自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其達(dá)到更好的節(jié)能效果。變頻恒壓供水能夠支持多泵循環(huán)工作，這樣一來(lái)，可以解決傳統(tǒng)供水方式中無(wú)論何時(shí)必須開(kāi)啟至少一個(gè)泵運(yùn)行的問(wèn)題，大大節(jié)省了人力、物力。