變頻恒壓供水控制方案比選及控制原理

王相峰 / 蔣佃剛(. 上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海 0009； . 中國建筑設(shè)計院有限公司，北京 00044)

變頻恒壓供水控制方案比選及控制原理

王相峰1/ 蔣佃剛2
(1. 上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海 200092； 2. 中國建筑設(shè)計院有限公司，北京 100044)

以某酒店變頻恒壓供水系統(tǒng)為例，對其控制方案進行了比較，并就變頻水泵的控制原理做簡要介紹。

變頻水泵 恒壓 控制原理 變頻器 數(shù)字集成全變頻

1 項目概況

該項目為安徽黃山某五星級酒店，共26層，屬一類高層。1～4層為裙房，是酒店娛樂配套服務(wù)區(qū)域，5～26層為客房區(qū)，共有各類客房465間。生活用水采用變頻泵分區(qū)恒壓供水，共設(shè)有5套變頻供水泵組(均為兩用一備，共15臺泵)。

2 傳統(tǒng)做法及存在的問題

在變頻生活泵組供配電設(shè)計中，因為變頻泵組的控制柜一般均由水泵廠家配套提供，電氣設(shè)計師不需要探究控制柜的具體配置、控制原理以及是否能滿足用戶供水安全的要求。

圖1 單變頻控制方案接線圖

以往變頻生活泵組的控制方案普遍采用如圖1所示的單變頻控制方案(方案一)，絕大部分住宅小區(qū)均是這樣配置。在方案一中，采用1臺變頻裝置控制3臺生活水泵，既能滿足供水壓力和流量的要求，又節(jié)約投資。

圖2是恒壓變頻供水系統(tǒng)中，各種工況下水泵的運行曲線。曲線Ⅰ為工頻泵運行的Q―H曲線，曲線Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ為變頻泵運行的Q―H曲線，分別對應(yīng)于水泵在F1、F2、F3頻率時的運行特性。Q—H曲線不止一條，而是一簇曲線，分別對應(yīng)不同的頻率。圖2中曲線Ⅴ是管網(wǎng)流量為Q2時，工頻泵、變頻泵并聯(lián)運行時的Q―H曲線，是工頻泵運行曲線與某一頻率下的變頻泵運行曲線的合成；曲線Ⅵ為管網(wǎng)特性曲線。Q1為一臺工頻泵運行時的流量，A為工頻運行工況點；Q3為變頻泵運行時的流量，C為變頻泵F2頻率下運行工況點。

圖2 恒壓變頻供水系統(tǒng)水泵運行曲線

當(dāng)管網(wǎng)中供水流量

在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，水泵通常有2種工作模式：一是變頻泵固定方式，二是變頻循環(huán)啟動工作方式。在變頻泵固定方式中，各并聯(lián)水泵是按水流量的需求運行，而工頻水泵則是自動投入或退出。因為變頻泵隨用水流量變化會始終處于運行狀態(tài)，因此變頻泵的運行時間最長，各泵磨損程度差異很大。為了均衡各水泵的運行時間，系統(tǒng)也可以采用變頻泵定時輪換運行方式，即當(dāng)某一臺變頻泵運行一定時間后，由變頻控制器控制變頻泵自動輪換運行。

圖1所示的單變頻控制方案投資較低，控制邏輯比較簡單，但是供水的可靠性較差。根據(jù)變頻器工作原理，運行中如果在變頻器的輸出端進行切換，會使變頻器中的某些電子器件受到大電流沖擊，影響其使用壽命，需要變頻循環(huán)軟啟動運行或變頻泵自動輪換時，在變頻器的輸出端進行切換，且為了保護變頻器，切換要在變頻器停止運行的情況下進行。另外，在變頻器故障或水泵輪換運行的瞬間，供水系統(tǒng)水流會短時中斷，但基本不影響對用戶的供水。

3 方案比選

從酒店運營角度來看，高檔酒店中客房及廚房生活用水的中斷屬于大事故。為進一步提高酒店生活用水的可靠性，變頻供水設(shè)備廠家在項目設(shè)計過程中，通過與酒店管理公司多次協(xié)商，提出了3泵3變頻器的方案(方案二)，即全變頻控制方案。水泵控制采用智能化水泵專用變頻器，并采用數(shù)字集成技術(shù)，將變頻調(diào)速與PID控制技術(shù)集成一體。在全變頻控制恒壓供水設(shè)備中，各臺變頻器之間通過CAN總線互相通信。變頻器根據(jù)系統(tǒng)流量變化，自動調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，并自動完成各泵的功率均衡，并可以通過外設(shè)自動控制顯示屏完成人機對話，比PLC控制更具靈活性，此方案供水的可靠性高。酒店為水泵組設(shè)有5組變頻器，共15臺生活泵，需要設(shè)置15臺專用變頻器，但最終由于專用變頻器價格較高，投資遠(yuǎn)超預(yù)算，此方案被否決。經(jīng)過多輪經(jīng)濟技術(shù)比較，最終選擇了另一方案——雙變頻控制方式(方案三)。圖3～4為雙變頻控制方案的一次、二次接線圖。

圖3 雙變頻控制方案一次接線圖

圖4 雙變頻控制方案二次接線圖

變頻供水泵組采用PLC控制，水泵的運行特性如圖2，在此不再贅述。在方案三中，采用兩臺變頻器分別控制一臺變頻泵，互為備用。當(dāng)一套變頻給水裝置故障時，另一套可以正常運行；當(dāng)工頻泵故障時，可以使兩套變頻水泵中的一套運行在工頻狀態(tài)，提高酒店供水的可靠性。

如圖3～4所示，雙變頻控制給水系統(tǒng)運行工況：當(dāng)水量

PLC控制器的X1～X4輸入端口分別與2臺變頻器相連，輸入變頻器的相關(guān)運行狀態(tài)。X5～X10輸入端口為3臺泵的運行狀態(tài)輸入口，X11、X12、X18、X19為供水系統(tǒng)管網(wǎng)狀態(tài)輸入端口，PLC通過這4個端口可以實時掌握管網(wǎng)狀態(tài)，并通過通訊模塊顯示在顯示屏上。PLC的Y6～Y10為設(shè)備狀態(tài)信號輸出端口，通過燈光顯示水泵及變頻器的狀態(tài)，設(shè)備狀態(tài)信息同時顯示在顯示屏上。

通過總結(jié)酒店的運營經(jīng)驗，酒店供水系統(tǒng)大約20%的時間運行在高峰期，這段時間需要工頻泵和變頻泵并聯(lián)運行，其余時間1臺變頻泵運行即可滿足用水要求。通過設(shè)定，PLC可以累積水泵運行時間，并定時輪換2臺變頻水泵工作。這樣，每臺變頻泵全天約運行50%的時間，工頻泵運行20%的時間。這種控制方式在不頻繁切換導(dǎo)致變頻器受損的前提下，能較好地解決水泵均衡磨損問題。變頻器選用ATV61型，帶有自動睡眠功能，當(dāng)水泵運行在圖2中曲線Ⅳ與H軸的交點時，此時管網(wǎng)水流量為0，變頻器可以自動停泵，以利于節(jié)能。

4 結(jié)束語

比較這三種方案，單純從技術(shù)方面來說，方案二的全變頻控制系統(tǒng)在供水穩(wěn)定性、控制靈活性方面最優(yōu)，但當(dāng)前專用變頻器市場價格較高，其經(jīng)濟性略差。而對于本項目來說，雙變頻控制方案與方案一比較，提高了酒店的供水可靠性；與方案二比較，供水可靠性基本相當(dāng)，控制靈活性略差，但與酒店投資水平契合。綜合考慮，雙變頻控制方案是適合本工程要求的方案。

[1] CECS 393：2015數(shù)字集成全變頻控制恒壓供水設(shè)備應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國計劃出版社，2015.

[2] 16S111. 變頻調(diào)速供水設(shè)備選用與安裝[S]. 北京：中國計劃出版社，2016.

[3] 上海熊貓機械(集團)有限公司，《水泵配套控制箱控制方案》.

ControlSchemesComparisonandControlPrincipleofVariableFrequencyConstantPressureWaterSupplySystem

Wang Xiangfeng / Jiang Diangang

Taking the variable frequency constant pressure water supply system in a hotel as an example, the control schemes are compared, and the control principle of variable frequency pumps are introduced briefly.

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