談幾種變頻供水設備的應用與控制

變頻供水設備概述

      隨著(zhù)變頻調速技術(shù)的發(fā)展和人們對生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻供水設備已廣泛應用于多層住宅小區生活及高層建筑生活消防供水系統。變頻調速供水設備一般具有設備投資少，系統運行穩定可靠，占地面積小，節電節水，自動(dòng)化程度高，操作控制方便等特點(diǎn)。但在實(shí)際應用中若選型及控制不當，不但達不到節能目的，反而"費電"。以下結合我們多年來(lái)的實(shí)踐經(jīng)驗，對幾種變頻供水設備的應用及其控制方法進(jìn)行介紹，供同行及用戶(hù)在設計、改造、選型時(shí)參考。 

1.普通循環(huán)軟啟動(dòng)變頻供水設備

    該類(lèi)型設備在實(shí)際應用中較多，系統由水泵機組、循環(huán)軟啟動(dòng)變頻柜、壓力儀表、管路系統等構成。變頻柜由變頻調速器，PLC(或變頻控制器)，低壓電器等構成。系統一般選擇同型號水泵2～4臺，以3臺泵為例，系統的工作情況如下：

    平時(shí)1臺泵變頻供水，當1臺泵供水不足時(shí)，先開(kāi)的泵轉為工頻運行，變頻柜再軟啟動(dòng)第2臺泵，若流量還不夠，第2臺泵轉為工頻運行，變頻柜再軟啟動(dòng)第3臺泵。若用水量減少，按啟泵順序依次停止工頻泵，直到最后1臺泵變頻恒壓供水。

    另外系統具有定時(shí)換泵功能，若某臺泵連續運行超過(guò)設定切換時(shí)間(一般設為1~2天)，變頻柜可自動(dòng)停止該泵切換到下一臺泵繼續變頻運行。換泵時(shí)間由程序設定，可按要求隨時(shí)調整。這樣可均衡各泵的運行時(shí)間，延長(cháng)整體泵組的壽命。

    為達到更好的節能目的，多功能變頻控制器設有雙恒壓接口，系統可實(shí)現雙恒壓供水功能。

    該系統一般適用于規模較小的多層住宅小區(如300戶(hù)以?xún)?或其它小規模用水系統，水泵功率一般不超過(guò)7.5kW。另外也適用于小流量用水時(shí)間很短或用水量變化不大的其它場(chǎng)合，如循環(huán)水系統。

2.帶小流量泵的循環(huán)軟啟動(dòng)變頻供水設備

    當變頻供水系統在小流量或零流量的情況下，比如在夜間用水低谷時(shí)，系統內的用水量很小，此時(shí)水泵在低流量下運行，會(huì )造成水泵效率大大降低，不能達到節能的目的，水泵功率越大用電越多。例如對300～1000戶(hù)的多層住宅小區或600戶(hù)左右的小高層住宅樓群(12層以?xún)?的生活用水系統，生活主泵功率一般在15kW左右，系統的零流量頻率f0一般為25～35Hz，故在夜間小流量時(shí)，采用主泵變頻供水效率較低。

     這就涉及供水系統在小流量或零流量時(shí)的節電問(wèn)題，一般可以采取4種方案：①變頻主泵+工頻輔泵；②變頻主泵+工頻輔泵+氣壓罐；③變頻主泵+氣壓罐；④變頻主泵+變頻輔泵+氣壓罐［2］。從節能、投資角度看第4種方案更為適宜，該方案即在原變頻主泵基礎上，再配備1～2臺小泵專(zhuān)用在夜間或平時(shí)小流量時(shí)變頻供水，一般選擇小泵流量為3～6m3/h，居民區戶(hù)數越多，流量可適當選擇大些。小泵功率一般為1.5～3kW，小泵的揚程按主泵揚程或略低于主泵揚程即可。

    變頻柜采用PLC控制，程序采用模塊化設計，系統控制流程見(jiàn)圖1。平時(shí)系統運行于主泵循環(huán)軟啟動(dòng)變頻供水模式，系統用水量減小時(shí)，主泵頻率逐漸降低，當頻率低于小流量頻率時(shí)，PID調節器發(fā)出低頻切換信號，延時(shí)后，系統自動(dòng)進(jìn)入小泵變頻供水模式。當用水量增大，小泵流量不能滿(mǎn)足系統需要時(shí)，PID調節器發(fā)出滿(mǎn)頻信號，延時(shí)后，系統自動(dòng)返回主泵循環(huán)軟啟動(dòng)變頻供水模式。為達到更好的節能效果，系統也可實(shí)現雙恒壓供水功能。

    以鄭州某單位住宅小區變頻供水系統為例，生活主泵配QDG30?20×3立式多級泵2臺，單臺Q=30m3/h，H=60m，N=11kW，小泵配QDL4.8-8×6立式多級泵1臺，Q=4.8m3/h，H=48m，N=1.5kW。在用水非高峰時(shí)，主泵運行小流量頻率平均為30Hz，電流為6.5A，采用小泵時(shí)小流量頻率平均為35Hz，電流為2.5A，按每天小流量運行時(shí)間15h計算，每年可節電3800kW·h。

3.全流量高效變頻供水設備

    對比較大的生活小區和高層建筑的生活用水，若單配主泵機組和小流量泵，因小泵流量QL和主泵流量QM差別較大，當流量調節范圍在QL～1/3Qm時(shí)，水泵的運行效率仍很低，導致水泵運行不經(jīng)濟，浪費電能。并且流量在大于或接近QL時(shí)還會(huì )出現頻繁的換泵操作。為實(shí)現在全流量范圍內水泵始終能高效率運行，這就有必要再增加一種中流量水泵，流量可選為1/3Qm～1/2QM。特殊情況下還可增加2種中流量水泵。這樣整體水泵流量選擇呈階梯狀，從而使得設備在任何流量段運行時(shí)均處于水泵的高效率段，更加節能。

    變頻柜控制核心由PLC和多功能PID調節儀構成，以三種泵配置為例，系統的控制流程見(jiàn)圖2。系統也可實(shí)現雙恒壓供水功能，中泵和小泵變頻時(shí)低恒壓供水，主泵變頻時(shí)高恒壓供水。

4.深水井變頻供水設備

    目前深水井潛水泵采用變頻調速控制的也非常廣泛，主要是因為不需再建水塔，設備占地小，建設周期短，水質(zhì)無(wú)二次污染，水泵軟啟動(dòng)軟停車(chē)，故障率低，大修周期延長(cháng)，壽命提高。但對夜間也要求供水的系統(一般居民生活用水都有要求)，仍存在夜間小流量"費電"問(wèn)題。一般潛水泵功率較大，小流量頻率fL一般在28Hz以上。如30kW的潛水泵，小流量頻率按30Hz計算，每天夜間近6h內約有50kW·h電能"浪費"，一年就是18000kW·h!這還未計入白天小流量時(shí)的用電。

    為解決小流量耗電問(wèn)題，可增配1臺直徑600～1200的囊式氣壓罐，一般氣壓罐可直接安裝在泵房。根據氣壓罐的調節容量合理設置小流量頻率fL。變頻柜控制核心仍為PLC和多功能PID調節儀，當系統用水量變小，運行頻率降至小流量頻率fL時(shí)，系統進(jìn)入小流量變頻穩壓狀態(tài)，同時(shí)PLC自動(dòng)計算潛水泵啟動(dòng)次數，若小時(shí)啟動(dòng)次數D≥12次，系統則回到潛水泵變頻恒壓供水狀態(tài)。

5.生活消防合用變頻供水設備

    對多層建筑，《建筑設計防火規范》GBJ16-87第8.1.2條規定"消防給水宜與生產(chǎn)、生活給水管道合用"。但對高層建筑，《高層民用建筑設計防火規范》GB50045-95第7.4.1條規定"室內消防給水系統應與生活、生產(chǎn)給水系統分開(kāi)獨立設置"。而12層以?xún)刃「邔咏ㄖ?特別是住宅樓群)，生活消防壓力差別不大，若管材選用適當或消防管路采取防倒流措施，在采用變頻設備及電源可靠條件下，建議高規適當放寬要求應允許生活消防合用供水設備。同時(shí)有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)生活消防泵組定時(shí)輪換運行，不會(huì )因消防泵長(cháng)期不用或管理不善而使水泵銹死，機組時(shí)刻處在工作狀態(tài)。

(2)生活泵組和消防泵組合用，基本節省一套消防泵組，且便于設備管理和維護。

(3)設備自動(dòng)化程度高，供水穩定可靠，且水質(zhì)無(wú)二次污染。

(4)水泵軟啟動(dòng)軟停車(chē)，無(wú)沖擊和超壓危害。

    系統可按循環(huán)軟啟動(dòng)變頻設備或帶小流量泵的循環(huán)軟啟動(dòng)變頻供水設備選型，主泵流量按生活、消防兩者最大的來(lái)選擇，并留有1臺備用泵，揚程一般按消防設計壓力選擇。另外還應注意的有以下幾點(diǎn)：

(1)應設消防接口，如有消防報警系統應設24VDC無(wú)源啟停接口。

(2)應有消防時(shí)確保消防用水的技術(shù)措施，如在生活總管上安裝電磁閥，消防時(shí)關(guān)閉生活用水。

(3)應設水位接口，消防低水位報警，并關(guān)閉生活用水。

(4)應有雙恒壓功能，即平時(shí)低恒壓生活供水，消防時(shí)自動(dòng)轉入高恒壓消防供水。

(5)消防時(shí)應限制退泵操作，以防止壓力不穩。

6.消防變頻恒壓穩壓供水設備

    多層建筑消火栓或自動(dòng)噴水滅火系統采用消防主泵變頻供水設備時(shí)，可不再設穩壓小泵，由主泵變頻運行來(lái)保壓。若消防管網(wǎng)室外部分較大，可增加調節容量100L左右的穩壓罐即可。設備的主要功能如下。

6.1 主泵變頻穩壓功能

    平時(shí)無(wú)消防時(shí)，設備處于變頻穩壓工作狀態(tài)，由電接點(diǎn)壓力表采集管網(wǎng)水壓信號，當管網(wǎng)水壓低于穩壓下限時(shí)，消防泵變頻運行，向消防管網(wǎng)補水，當管網(wǎng)水壓達到穩壓上限時(shí)，消防泵軟停止。

6.2 自動(dòng)換泵功能

    消防主泵具有周期輪換穩壓運行功能，換泵周期由變頻柜程序設定，一般設定為24~48h。若設備檢測到穩壓主泵故障時(shí)，立即切換到另一臺主泵穩壓運行，并報警顯示。

6.3 自動(dòng)巡檢功能

    設備具有定期強制自動(dòng)巡檢功能或隨時(shí)手動(dòng)巡檢功能，以防水泵長(cháng)期不運轉而"銹死"。巡檢周期和單泵巡檢運行時(shí)間可調。若水泵故障，設備可自動(dòng)報警并記憶。

6.4 自動(dòng)消防恒壓供水

    設備接到消防信號，立即進(jìn)入消防主泵恒壓供水狀態(tài)。變頻柜具有循環(huán)軟啟動(dòng)功能，若一臺泵故障或流量不夠，可自動(dòng)變頻啟動(dòng)另一臺泵。消防信號解除，立即恢復至平時(shí)消防高穩壓供水狀態(tài)。

6.5 智能消防功能

    因火災或管網(wǎng)漏水嚴重，在無(wú)消防信號情況下，設備自動(dòng)進(jìn)入消防高恒壓供水狀態(tài)并報警，防止真正火災發(fā)生時(shí)水泵頻繁啟停，水壓時(shí)高時(shí)低不穩，影響滅火用水。

    該類(lèi)消防設備安裝相對集中，配置簡(jiǎn)易，系統自動(dòng)化程度高，減少了平時(shí)管理要分散保養、維護、檢查的工作量。鄭州某市場(chǎng)采用了2套消防變頻恒壓穩壓供水設備，均未設穩壓小泵和高位水箱，從一年多的運行情況看，使用效果非常理想。

7.結語(yǔ)

    (1)生活供水系統采用變頻供水設備可改善供水水質(zhì)，且自動(dòng)化程度高，又是國家節能推廣技術(shù)，但若選擇使用不當，又會(huì )造成電能"浪費"，達不到預期目標。因此建議設計人員和用戶(hù)在方案確定之前應根據用水性質(zhì)、用水特點(diǎn)、用水規模、設備投資等因素綜合考慮，在保證可靠供水前提下，充分發(fā)揮變頻調速的節能潛力。

    (2)消防變頻供水設備自動(dòng)化程度高，系統響應迅速，實(shí)戰性強，同時(shí)設備分布相對集中，配置簡(jiǎn)單，便于管理和維護，建議用戶(hù)應根據自身工程特點(diǎn)合理選用。