西門(mén)子變頻器在變頻恒壓供水系統中的智能節能化應用

1.引言

    長(cháng)期以來(lái)傳統的區域、樓宇供水系統都是由市政管網(wǎng)經(jīng)過(guò)二次加壓和水塔或天面水池來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)對供水壓力的要求。在這種供水系統中加壓泵通常是用最不利用水點(diǎn)的水壓要求來(lái)確定相應的揚程設計，然后泵組根據流量變化情況來(lái)選配，并確定水泵的運行方式。由于小區用水有著(zhù)季節和時(shí)段的明顯變化，日常供水運行控制就常采用水泵的運行方式調整加上出口閥開(kāi)度調節供水的水量水壓，大量能量消耗在出口閥而浪費，而且存在著(zhù)水池“二次污染”的問(wèn)題。

    變頻調速技術(shù)在給水泵站的應用，成功地解決了能耗和污染的兩大難題。在實(shí)際運行中小區變頻恒壓供水技術(shù)比傳統的加壓供水系統還有水壓穩定、維護運行成本低等明顯優(yōu)勢。

2.變頻恒壓供水系統的基本原理

    變頻恒壓供水控制系統通過(guò)測到的管網(wǎng)壓力，經(jīng)變頻器的內置PID調節器運算后，調節輸出頻率，實(shí)現管網(wǎng)的恒壓供水。變頻器的頻率超限信號（一般可作為管網(wǎng)壓力極限信號）可適時(shí)通知PLC進(jìn)行變頻泵邏輯切換。為防止水錘現象的產(chǎn)生，泵的啟停將聯(lián)動(dòng)其出口閥門(mén)。

    變頻恒壓供水系統作原理。假設整個(gè)系統由三臺水泵，一臺變頻器（帶內置PID調節器以及簡(jiǎn)易可編程控制器的功能）和一個(gè)壓力變送器及若干輔助部件構成。各部分功能如下：安裝于供水管道上的壓力變送器將管網(wǎng)壓力轉換成1—5伏的電信號；變頻調速器用于調節水泵轉速以調節流量；PLC用于邏輯切換。

    此外，上述系統還配備了外圍輔助電路，以保障自動(dòng)控制系統出現故障時(shí)可通過(guò)人工調節方式維持系統運行，保證連續生產(chǎn)。

    由水泵－管道供水原理可知，調節供水流量，原則上有二種方法

    一是節流調節，開(kāi)大供水閥，流量上升；關(guān)小供水閥，流量下降。

    二是調速調節，水泵轉速升高，供水流量增加；轉速下降，流量降低，對于用水流量經(jīng)常變化的場(chǎng)合（例如生活用水），采用調速調節流量，具有優(yōu)良的節能效果。

2.變頻調速恒壓供水的兩種工作模式

    （1）多泵并聯(lián)變頻恒壓變量供水的工作模式：當用水流量小于一臺泵在工頻恒壓條件下的流量，由一臺變頻泵調速恒壓供水；當用水流量增大，變頻泵的轉速自動(dòng)上升；當變頻泵的轉速上升到工頻轉速，為用水流量進(jìn)一步增大，由變頻供水控制器控制，自動(dòng)啟動(dòng)一臺工頻泵投入，該工頻泵提供的流量是恒定的（工頻轉速恒壓下的流量），其余各并聯(lián)工頻泵按相同的原理投入。

    在多泵并聯(lián)變頻恒壓變量的供水情況下，當用水流量下降，變頻調速泵的轉速下降（變頻器供電頻率下降）；當頻率下降到零流量的時(shí)候，變頻供水控制器發(fā)出一個(gè)指令，自動(dòng)關(guān)閉一臺工頻泵使之超出并聯(lián)供水。為了減少工頻泵自動(dòng)投入或超出時(shí)的沖擊（水力的或電流的沖擊）。在投入時(shí)，變頻泵的轉速自動(dòng)下降，然后慢慢上升以滿(mǎn)足恒壓供水的要求。在超出時(shí)，變頻泵的轉速應自動(dòng)上升，然后慢慢下降以滿(mǎn)足恒壓供水的要求。上述頻率自動(dòng)上升，下降由供水變頻控制器控制。

    （2）恒壓變量循環(huán)狀啟動(dòng)并先開(kāi)先停的工作模式：在這種供水模式中，當供水流量少于變頻泵在恒壓工頻下的流量時(shí)，由變頻泵自動(dòng)調速供水，當用水流量增大，變頻泵的轉速升高。當變頻泵的轉速升高到工頻轉速，由變頻供水控制器控制把該臺水泵切換到由工頻電網(wǎng)直接供電（不通過(guò)變頻器供電）。變頻器則另外啟動(dòng)一臺并聯(lián)泵投入工作。隨用水流量增大，其余各并聯(lián)泵均按上述相同的方式軟啟動(dòng)投入。這就是循環(huán)軟啟動(dòng)投入方式。

    變頻恒壓供水系統采用一電位器設定壓力（也可采用面板內部設定壓力），采用一個(gè)壓力傳感器（反饋為4~20mA）檢測管網(wǎng)中壓力，壓力傳感器將信號送入變頻器PID回路，PID回路處理之后，送出一個(gè)水量增加或減少信號，控制馬達轉速。如在一定延時(shí)時(shí)間內，壓力還是不足或過(guò)大，則通過(guò)變頻器作工頻/變頻切換起動(dòng)另一臺水泵，使實(shí)際管網(wǎng)壓力與設定壓力相一致。隨著(zhù)用水量的減少，變頻器自動(dòng)減少輸出頻率或切除水泵，達到了節能的目的。

3.變頻恒壓供水系統的控制方式

    變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源，實(shí)現電機的無(wú)級調速，從而使管網(wǎng)水壓連續變化。傳感器的任務(wù)是檢測管網(wǎng)水壓，壓力設定單元為系統提供滿(mǎn)足用戶(hù)需要的水壓期望值。壓力設定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內部PID控制程序的計算，輸出給變頻器一個(gè)轉速控制信號。還有一種辦法是將壓力設定信號和壓力反饋信號送入PID回路調節器，由PID回路調節器在調節器內部進(jìn)行運算后，輸出給變頻器一個(gè)轉速調節信號，如圖2中虛線(xiàn)所示。

4.變頻恒壓供水系統的構成

    變頻恒壓供水系統主要由水池、變頻控制柜、壓力傳感器、離心泵、觸摸屏顯示器等組成。變頻控制柜由斷路器、變頻調速器、接觸器、中間繼電器、PLC等組成。

    供水系統選用原則

    (1)．蓄水池容量應大于每小時(shí)最大供水量。

    (2)．水泵揚程應大于實(shí)際供水高度。

    (3)．水泵流量總和應大于實(shí)際最大供水量。

    (4)．變頻控制柜選型：

    可根據供水量和供水高度確定水泵型號及臺數，然后對控制柜進(jìn)行選型。

5.結論

變頻恒壓供水系統的特點(diǎn)：

（1）全自動(dòng)，無(wú)人操作

    變頻恒壓供水系統會(huì )自動(dòng)根據用戶(hù)用水量的大小，自動(dòng)調整水泵轉速、自行決定加減泵的時(shí)間臺數以及消防巡檢的工作程序等，都無(wú)需人工干預、人工操作自動(dòng)完成。

（2）基建投資少，水源無(wú)污染，無(wú)需防凍處理

    變頻恒壓供水系統緊湊，節省建筑面積60~70%，節約建筑資金（相對水塔）可達到80~90%。因恒壓供水是將源水直接送到最終用戶(hù)，中間無(wú)蓄水環(huán)節，解決了水塔、水箱供水中的二次污染問(wèn)題，嚴寒冬季也無(wú)需再象高位水箱那樣做防凍處理。

（3）節水節電效果明顯

    變頻恒壓供水系統如果不采用變頻控制時(shí)，水泵只能在工頻電源的驅動(dòng)下連續運轉。當用水量下降管中壓力上升時(shí)只能通過(guò)泄壓閥將多余的壓力放掉，這樣造成了很大的能源浪費。采用變頻控制后，可以通過(guò)調節水泵的轉速來(lái)控制管中壓力，這樣就達到了節能的目的。

    本變頻恒壓供水系統節約用水可達15~25%；由于采用變頻調速控制，使電機水泵一直工作在高效區，加上系統采取的一系列節能措施可使整個(gè)供水系統的節電率高達20~50%。

（4）保護功能完善，實(shí)現不間斷供水

    變頻恒壓供水系統在設計時(shí)充分考慮了潛水電泵、變頻器等的使用性能，具有多種保護功能如：缺相、欠壓、過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱、過(guò)載、不平衡、電機止推磨損、缺水等多種保護功能，同時(shí)系統的故障自診斷功能，方便了用戶(hù)排查故障，故障電話(huà)自動(dòng)拔號功能，真正實(shí)現了泵房無(wú)人職守運行，系統還設有手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)三種工作方式，確保了供水的連續性。

（5）調試檢修簡(jiǎn)便，顯示直觀(guān)明了

    變頻恒壓供水系統采用最新的IPM模塊變頻器及智能型可編程控器，運用模糊壓力控制等先進(jìn)技術(shù)，使系統調試維護檢修變得簡(jiǎn)單方便。系統的電壓、電流、反饋壓力，變頻器的輸出頻率、電流、電機轉速等運行參數直接顯示在柜體面板上，直觀(guān)明了維護方便。

（6）設置靈活、功能齊全

    通過(guò)PLC編程設計靈活配置系統功能，可增加定時(shí)巡檢、日周定時(shí)開(kāi)關(guān)機、多壓力設定、變量變壓供水等多種特殊功能，以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的特殊要求。

    可與各種接口的上位機聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現系統的微機遠程監控。

    同時(shí)還可根據用戶(hù)需要構成其它閉環(huán)控制系統，如恒液位、恒流量、比例控制等多種控制系統。

變頻恒壓供水系統的應用：

    （1）各類(lèi)型自來(lái)水系統，井用潛水電泵恒壓供水系統。

    （2）高層建筑及住宅小區的生活用水；

    （3）工礦企業(yè)用水，對生產(chǎn)流程要求恒壓變量的供水系統，如循環(huán)冷卻用水、空調制冷、鍋爐采暖系統的穩壓供水、游泳池循環(huán)用水；

    （4）油田管道、油庫、泵站、油港恒壓輸油系統及其它輸液系統；

    （5）農村自來(lái)水、農業(yè)排灌和建設施工用水、園林噴灑、水景和音樂(lè )噴泉系統。