智能全變頻恒壓供水技術(shù)在二次供水中的應(yīng)用

杜乃成

（天津市華澄供水工程技術(shù)有限公司，天津 300385）

智能全變頻恒壓供水技術(shù)在二次供水中的應(yīng)用

杜乃成

（天津市華澄供水工程技術(shù)有限公司，天津 300385）

該文重點介紹了智能全變頻恒壓供水的技術(shù)特點，并通過試驗的方法，與傳統(tǒng)單變頻、多變頻恒壓供水設(shè)備比較分析，闡明了智能全變頻恒壓供水技術(shù)在二次供水系統(tǒng)中的節(jié)能、穩(wěn)壓等運行特點。與傳統(tǒng)變頻控制方式恒壓供水相比，該智能全變頻技術(shù)在某些工況下的節(jié)能可達(dá)20%以上。

全變頻；恒壓供水；二次供水

變頻恒壓供水技術(shù)自20世紀(jì)90年代在我國推廣以來，取得了飛速的發(fā)展。目前國內(nèi)二次供水加壓技術(shù)大多采用單變頻、多變頻恒壓供水技術(shù)，即“變頻+工頻”的控制策略。但有研究表明，在實際應(yīng)用中“變頻+工頻”的水泵加壓技術(shù)在能耗控制和供水穩(wěn)定性方面存在不足。隨著人們節(jié)能意識、供水需求的不斷增強(qiáng)，“全變頻”供水技術(shù)目前已成為二次供水領(lǐng)域發(fā)展的研究熱點之一。如何優(yōu)化變頻供水方式、提升節(jié)能效果、簡化操作流程成為當(dāng)前研究的主要方向[1-4]。

本文將智能全變頻恒壓供水技術(shù)應(yīng)用于二次供水設(shè)備，集遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程報修、全變頻節(jié)能控制于一體，并通過試驗數(shù)據(jù)驗證并分析了該智能全變頻恒壓供水技術(shù)在能耗和供水穩(wěn)壓方面的特性。

1 智能全變頻恒壓供水系統(tǒng)

本研究搭建了智能全變頻恒壓供水控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)為每臺水泵配備1臺變頻器，控制單元采集系統(tǒng)壓力、液位、流量等信號，實時采集信號數(shù)據(jù)，通過全變頻恒壓供水控制算法控制水泵的運行；其控制柜由變頻器、控制單元、云通訊單元、人機(jī)交互界面、手機(jī)APP、電腦PC端等部分組成。通過人機(jī)交互界面、手機(jī)APP、電腦PC端來監(jiān)控系統(tǒng)運行。

圖1 智能全變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 System structure of intelligent all VVVF water supply equipment

該系統(tǒng)在采用全變頻控制策略的同時，在系統(tǒng)中增加云通訊單元，通過云通訊單元的數(shù)據(jù)交換傳遞作用，可以將設(shè)備運行狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)實時傳遞到云端，進(jìn)而實現(xiàn)同手機(jī)、電腦等客戶端之間的信息交換，方便數(shù)據(jù)采集，便于數(shù)據(jù)分析。通過移動客戶端可以實時監(jiān)控設(shè)備運行、實現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)試及升級更新，有利于提升運維效率。

2 智能全變頻技術(shù)在二次供水的應(yīng)用

2.1 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的能耗特性

變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)主要由變頻調(diào)速器（控制器+變頻器）、交流電動機(jī)、水泵幾部分組成，系統(tǒng)通過改變電機(jī)的運行頻率，進(jìn)而改變轉(zhuǎn)速來達(dá)到恒壓供水的目的。變頻調(diào)速恒壓供水水泵的工作性能曲線和管路特性曲線如圖2所示[5]，圖中曲線1為管路特性曲線，曲線2為水泵工作性能曲線。

圖2 水泵的工作性能曲線和管路特性曲線Fig.2 Performance curve of the pump and pipeline characteristic curve

揚(yáng)程H與流量Q的關(guān)系表達(dá)式為

式中：S為管路的特性系數(shù)值，s2/m5。

變頻調(diào)速水泵的能耗Nin可由式（2）確定：

式中：γ 為水的比重，kN/m3；Q 為水泵的流量，m3/s；H為水泵的揚(yáng)程，m；η為變頻調(diào)速水泵的綜合效率；ηνfd為變頻調(diào)速器效率；ηm為交流電動機(jī)效率；ηp為水泵在部分負(fù)荷下的運行效率。

各部分的運行效率隨水泵負(fù)荷的改變而改變，水泵運行的能耗并非簡單的同流量的成三次方的關(guān)系。當(dāng)負(fù)荷率越低，其運行效率越低，而且在低負(fù)荷時其綜合運行效率會急速下降。因此，讓變頻調(diào)速水泵盡可能地在效率區(qū)運行才能實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能的目的。

2.2 全變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能效果分析

為分析全變頻供水控制系統(tǒng)節(jié)能效果，搭建二次供水疊壓試驗平臺，如圖3所示。圖3中疊壓設(shè)備通過壓力變送器②測定出口壓力作為PID的控制反饋信號，通過流量控制閥③調(diào)節(jié)出水流量，通過流量變送器④來測定出口流量，3臺水泵的額定功率均為3 kW。試驗分別測試在“全變頻”和“變頻+工頻”2種控制方式下，在不同設(shè)定工作壓力下各臺水泵輸出功率的值。

圖3 二次供水全變頻恒壓供水建疊壓試驗平臺Fig.3 Experimental platform for all VVVF water supply

通過試驗，得到該系統(tǒng)在“全變頻”控制方式下各泵運行頻率和輸出功率的參數(shù)如表1所示，在“變頻+工頻”控制方式下各泵運行頻率和輸出功率的參數(shù)如表2所示。

將表1和表2數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，計算系統(tǒng)總輸出功率，得到不同控制方式下總輸出功率對比曲線，如圖4所示。

由圖4所示曲線圖可以看出，對比2種控制方式，全變頻控制方式在相同工況下達(dá)到相同設(shè)定壓力，其整體節(jié)能效果是比較明顯的。并且，當(dāng)“變頻+工頻”控制方式中的變頻泵運行頻率越小，則在相同工況下，該“全變頻”控制的節(jié)能效果越是明顯。實測數(shù)據(jù)顯示，與傳統(tǒng)單變頻控制方式相比，采用全變頻控制時，設(shè)備在某些工況下節(jié)能可達(dá)20%以上。

表1 采用“全變頻”控制的設(shè)備運行數(shù)據(jù)Tab.1 Running data of all VVVF water supply equipment

表2 采用“變頻+工頻”控制的設(shè)備運行數(shù)據(jù)Tab.2 Running data of single-frequency constant pressure water supply equipment

圖4 “全變頻”和“變頻+工頻”控制方下總輸出功率對比Fig.4 Total output power comparison of all VVVF and single-frequency

2.3 全變頻恒壓供水系統(tǒng)的加壓過程分析

傳統(tǒng)的恒壓供水設(shè)備采用“變頻+工頻”的控制方式，當(dāng)系統(tǒng)在調(diào)整出水壓力等工況下，而需要進(jìn)行水泵的投入或切除操作時，需要先停止運行的變頻泵，然后延時切換工頻，再投入另一臺泵變頻軟起運行。在加壓過程中，由于泵組切換延時和軟啟動延時，會造成系統(tǒng)壓力波動，甚至可能出現(xiàn)全部停泵，造成短時失壓的情況。

由于采用全變頻的控制方式，使泵的投入、切除過程避免了工頻變頻切換帶來的問題，投入、切除過程是平穩(wěn)進(jìn)行的。其投入時系統(tǒng)壓力變化曲線如圖5所示，由圖可見，全變頻投入過程系統(tǒng)的壓力變化平穩(wěn)，沒有造成明顯水壓波動。

圖5 “全變頻”控制方式水泵投入過程系統(tǒng)壓力變化曲線Fig.5 System pressure curve of the pump switching process of all VVVF

3 結(jié)語

綜上所述，本文將智能全變頻恒壓供水技術(shù)應(yīng)用于二次供水設(shè)備，通過試驗的方法，驗證了該技術(shù)節(jié)能的效果，與傳統(tǒng)控制方式相比，在某些工況下節(jié)能可達(dá)20%以上；并且通過智能控制算法，使系統(tǒng)運行平穩(wěn)、減少了系統(tǒng)壓力波動；此外，通過手機(jī)APP、PC端來可實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程維護(hù)與調(diào)試，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，提高了系統(tǒng)的靈活性和交互性。

隨著人們對供水需求的不斷提升，智能全變頻供水技術(shù)，可以更好地滿足市場對供水設(shè)備高效節(jié)能、穩(wěn)定可靠、方便靈活等的多種需求，具有一定應(yīng)用價值。

[1] 沈月生，羅定元.數(shù)字集成變頻恒壓控制恒壓供水設(shè)備的設(shè)計選用 [C]//中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會建筑給水排水專業(yè)委員會、中國土木工程學(xué)會水工業(yè)分會建筑給水排水委員會2015年學(xué)術(shù)交流年會，上海：2015.

[2] 王朋濤.城市給水泵站全變頻變壓變流量運行控制優(yōu)化研究[D].重慶：重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，2008.

[3] 李良仁，王兆晶，汪臨偉.變頻調(diào)速技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[4] 陳景文.高層建筑變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計[J].中國給水排水，2007，23（24）：30-34.

[5] 丁云飛，江長平.變頻調(diào)速水泵的能耗分析[J].流體機(jī)械，2001，29（3）：25-26.

Technology of Intelligent all VVVF Constant Pressure in the Application of the Secondary Water Supply

DU Nai-cheng

（Tianjin Huacheng Water Supply Engineering&Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300385，China）

This paper mainly introduces the technical characteristics of intelligent all VVVF constant pressure water supply，through experimental method and comparative analysis of the traditional single-frequency，multi-frequency constant pressure water supply equipment，expounds the characteristics of energy saving and stabilization of intelligent all VVVF constant pressure in the secondary water supply system.Compared with the traditional frequency conversion control mode，in certain conditions，the energy saving of the all VVVF technology can reach more than 20%.

all variable voltage and variable frequency（VVVF）；constant pressure water supply；secondary water supply

TP273

B

1001-9944（2017）08-0057-03

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.08.014

2017-05-19；

2017-07-20

杜乃成（1974—），男，博士，高級工程師，研究方向為自動化控制優(yōu)化與機(jī)電技術(shù)開發(fā)。