變頻器在供水系統中的應用

□□

(山西建筑職業(yè)技術學院，山西 太原 030006)

引言

二次加壓、水塔或樓頂的高位水箱等方法是解決用戶對供水水壓要求的常見傳統方法。隨著我國經濟發(fā)展水平的逐步提升，城市建設速度在不斷加快，傳統的二次加壓的供水方式已逐漸不能滿足樓房尤其是高層建筑物供水壓力的需求，而且城市居民對供水壓力和質量(包括安全性、穩(wěn)定性、經濟節(jié)能性等)的要求也越來越高。

采用變頻調速恒壓供水的方法，能夠很好地解決上述難題，滿足用戶不斷提高的用水需求。變頻調速恒壓供水方法主要是根據各個用水單位的使用量，通過提高或者降低泵的轉速，從而改變管路中的用水量。變頻恒壓給水系統對于保持供水壓力恒定不變是一種全新的嘗試，也是一種很好的供水解決辦法。在供水壓力恒定的情況下，保證水量的供需平衡。其工作過程為：變頻器可以根據用戶的用水需求，實時調整水泵的轉速，從而保證水泵的出水量與用戶的需水量保持在一個平衡狀態(tài)，水泵的電機所消耗的電能也會隨著需水量的降低而降低，因此采用這種驅動方式進行供水還具有節(jié)能降耗的作用。

1 變頻恒壓供水原理

圖1為變頻供水節(jié)能曲線。圖1中，n、nx、n0為水泵的特性曲線；A0、Ax、A2為管路的特性曲線；H0、H1、H°為水泵供水壓力。

(1)水泵出口處的閥門，可以直接控制整個系統的最大用水量。變頻驅動的水泵的運行參數如圖1所示，當水泵的運行特性在bc之間時，供水管路壓力所能保持的揚程在bd之間。因此，水泵全速運行時所消耗的能量為c點與d點之間揚程的差值。

圖1 節(jié)能分析曲線圖

(2)當供水管網中的壓力出現波動時，可以通過變頻驅動系統將供水管網的壓力控制在一個恒定的范圍內。用水量由最大值減少到Q1時，供水控制系統通過減慢水泵轉速以改變出口壓力，但是，在水泵出口壓力恒定的情況下，其工況點始終在H°上平行移動，同時水泵自身的運行特性相應地也會發(fā)生變化，如圖1中曲線nx所示。供水管網的特性也隨之發(fā)生了相應的變化，其特性曲線如圖1中Ax所示，工作在e點，水泵消耗的能量用圖1中r1表示。

(3)采用變頻驅動的供水系統，將管網最不利點的不變壓力定為控制壓力。在此情況下，水流量由最高值減小到Q1時，導致水泵轉速降低，水泵的特性曲線變?yōu)閚1，與A0于工作點d相交，通過這種方法能夠將水泵的工作點保持在A0附近變化，使管網中的供水壓力保持恒定，從而保持系統中水流量的平衡。

通過上述分析可知，采用變頻器驅動的供水系統時，不論供水管網中的任意因素發(fā)生任何變化，最不利點的水壓均能夠保持在一個基本穩(wěn)定的壓力，從而為整個供水系統的安全可靠運行提供保障。

變頻驅動的供水系統其實質是控制供水管網中的最薄弱環(huán)節(jié)，通過壓力傳感器實時監(jiān)測其壓力值，并實時反饋到變頻器的控制系統中?？刂葡到y根據該值的變化，經過控制器運算，向變頻器發(fā)出控制指令，實現水泵電機的自動調速，以保證最不利點的壓力保持在所設定的控制范圍。

2 變頻恒壓供水系統設計

變頻恒壓供水系統由CPU、變頻器、壓力傳感器、包含電動機的水泵機組等組成，其供水系統原理如圖2所示。

圖2 變頻供水系統原理圖

在系統正常運轉的情況下，檢測系統會檢測到壓力的變化，再通過壓力傳感器傳輸壓力變化信號給CPU。當電腦監(jiān)測系統檢測到管網壓力值下降時，CPU會根據實際監(jiān)測到的壓力值與預先在監(jiān)測系統中設定的閾值相對比，并將其之間的差值轉換為調整變頻器輸出的控制信號發(fā)送給變頻器。變頻器根據CPU發(fā)送來的控制指令，實時地調整其輸出，從而控制水泵電機的轉速，以實現供水壓力的調整。從而構成了一個穩(wěn)定完整的閉環(huán)控制系統。

3 變頻恒壓供水系統的應用分析

小高層住宅是指建筑層數在8～11層的住宅，變頻恒壓供水系統在小高層住宅已有了較為廣泛的應用。采用變頻恒壓供水系統不但可以滿足其供水要求，使得此類住宅的用水問題得以解決，而且避免了對生活用水的二次污染。

圖3所示為小高層的變頻恒壓供水系統。變頻驅動系統為該供水系統的核心，包括變頻器、一用一備兩臺水泵。其控制原理為：根據壓力傳感器監(jiān)測到的水壓，變頻泵進行自調節(jié)，這樣就可以維持生活用水壓力的穩(wěn)定。小高層變頻恒壓供水有上行下給式和下行上給式兩種供水方式，具體采用何種供水方式，應根據用戶的實際情況而定。在實際運行過程中，針對小高層中的低層用戶反映其水壓偏高的問題，為了維持水量在可接受的水量范圍內浮動，可在樓層較低的位置安裝降壓閥，以保證供水的安全穩(wěn)定。

3.1 控制系統

小高層建筑變頻恒壓供水系統主要包括現場數據監(jiān)測部分、變頻驅動部分、自動控制部分、上位機顯示部分。

圖3 變頻恒壓供水系統示意圖

3.1.1 現場數據監(jiān)測部分

現場數據監(jiān)測部分包括液位監(jiān)測和供水管網的壓力監(jiān)測。

(1)供水管網的壓力監(jiān)測：在供水系統管網的關鍵部位安裝壓力傳感器，實時監(jiān)測各部位的供水壓力，并將各壓力值反饋到PLC。

(2)貯水池液位檢測：把浮球液位傳感器安裝在變頻泵的吸水池中，監(jiān)測貯水池水位的變化。水位不變，顯示水泵機組正常工作；貯水池液位低于標準水位時，在不損壞設備的情況下，監(jiān)測系統把信息反饋到PLC，供水系統立即啟動自動保護措施。

3.1.2 變頻驅動部分

變頻驅動部分由一個電機組帶動若干臺水泵構成，電機由變頻器驅動。管路水流量變化幅度很小時，用水量會根據變頻泵的變化而變化；當管路中水流量與泵的頻率滿足不了需求時，宜改為工頻加泵工作。

3.1.3 自動控制部分

自動控制部分由變頻器、PLC和電控設備組成。其主要作用是捕捉管路中水流量動態(tài)數值，進而使變頻器根據所獲得的數據進行最合適的運轉，以實現供水壓力的基本恒定。同時，可大大降低水泵、電機等的磨損，提高經濟效益。

3.1.4 上位機顯示部分

監(jiān)控人員通過監(jiān)控計算機能夠在簡單地改變壓力數值之后改善設備的工作情況，從而達到所要求的水泵工作狀態(tài)，滿足各種供水需求。

3.2 系統循環(huán)運行

系統循環(huán)運行主要是指系統中的兩臺泵在變頻驅動系統的控制下，能夠根據自身的運行時間、運行狀態(tài)等情況自動進行切換。運行原理簡述如下：初始階段，變頻器驅動一臺電機帶動水泵運行，根據用水量的變化，水泵及其電機在變頻器的驅動下實時進行調整，直到達到工頻運行時，系統由變頻運行切換到工頻運行。當管路中水流量不斷增加，并且電機工作頻率至臨界時，水壓不足的情況仍然繼續(xù)時，變頻器則開始切換到備用泵，開始雙泵供水。相反，如果在雙泵供水過程中出現用水量下降，變頻驅動的電機和水泵則會相應地降低運行頻率，直至供水與用水達到平衡。

對于不同的建筑情況，在設備選型上也應有所不同，當需要提供服務的用戶(住戶)較少，且晝夜供水量的變動相對較小時，可以選擇兩臺功率較小的泵，互為用備。在小高層建筑中，由于變頻恒壓供水系統供水的樓層較少，可以采取這種方案。

3.3 效益分析

假設建筑物供水系統要求供水恒壓為45 m水柱高，每天正常工作24 h，可選擇IS80-50-200型水泵。查手冊得，泵供水量Q=58 m3/h，N=10.67 kW，每天能耗為256.08 kW·h。若采用變頻恒壓供水方式，每天能耗為215.66 kW·h，每天可節(jié)約能耗40.42 kW·h。

4 結語

變頻恒壓供水系統是一項技術先進的給水方法，具備高效、可靠、節(jié)能、響應速度快等特點。從變頻恒壓供水系統的運行原理和節(jié)能情況分析來看，這種供水方式能夠按照實際需求設定壓力值，并根據用戶的實際用水情況，即時地調整供水壓力，從而提高了水泵的工作效率。

參考文獻：

[1] 尹伊.淺析變頻器在工業(yè)中的應用[J].黑龍江科技信息，2010(13)：41.

[2] 張孝紅.變頻器節(jié)能作用概述[J].節(jié)能技術，2010，28(6)：573-575.

[3] 彭小紅，劉國東.基于PLC的變頻調速恒壓供水系統的設計[J].現代電子技術，2004(6):98-100.