變頻調速技術(shù)在消防給水設備中的應用探討

1 傳統水泵控制技術(shù)的弊端

      在傳統的水泵控制方式中，靠調節出口或人口閘閥方式來(lái)進(jìn)行，人為增加管網(wǎng)阻力達到變化流量和壓力的目的。因此，在控制過(guò)程中，流程阻力損失相應增加，而此時(shí)水泵的特性曲線(xiàn)不變，葉片轉速不變，電機輸入功率并無(wú)減少，而是白白地損失在調節過(guò)程中。經(jīng)測算，當水泵的流量由100％降到50％時(shí)，若分別采用調節出口和人口閥門(mén)的方式，則電機的輸入功率分別為額定功率的84％和60％，而水泵的軸功率僅為12.5％，即損失功率分別為71.5％和47.5％。這說(shuō)明不采用先進(jìn)的控制措施，即使水泵的設計效率為100％，其實(shí)際的運行效率可能只有百分之十幾或更低。傳統的控制方式，造成水泵長(cháng)期處于高速、滿(mǎn)負荷狀態(tài)下運行，因此維護工作量大，設備壽命低，并且運行現場(chǎng)噪聲大，影響環(huán)境。

2 變頻調速技術(shù)的原理

      變頻調速技術(shù)是一項綜合現代電氣技術(shù)和計算機控制的先進(jìn)技術(shù)，廣泛應用于水泵節能和恒壓供水領(lǐng)域。變頻調速的基本原理是根據交流電動(dòng)機工作原理中的轉速關(guān)系，即均勻改變電動(dòng)機定子繞組的電源頻率，就可以平滑地改變電動(dòng)機的同步轉速。電動(dòng)機轉速變慢，軸功率就相應減少，電動(dòng)機輸入功率也隨之減少。這就是水泵變頻調速的節能作用。

      眾所周知，水泵消耗功率與轉速的三次方成正比。即P=Kn3.其中P為水泵消耗功率；n為水泵運行時(shí)的轉速；K為比例系數。變頻調速和智能控制技術(shù)，可以使水泵運行的轉速隨流量的變化而變化，最終達到節能的目的。用閥門(mén)控制水泵流量時(shí)，部分有功功率被損耗浪費掉了，且隨著(zhù)閥門(mén)不斷關(guān)小，這個(gè)損耗還要增加。如果采用降低電機轉速的方式進(jìn)行控制，就避免了消耗在閥門(mén)的有功功率。這樣，在轉運同樣流量的情況下，僅需要輸入較低的功率，獲得節能效果。實(shí)踐證明，使用變頻設備可使水泵運行平均轉速比工頻轉速降低20％，從而大大降低能耗。

3 變頻調速技術(shù)用于消防給水系統的控制方式

3.1繼電接觸器控制方式

      這是最簡(jiǎn)單的一類(lèi)控制方式。根據工藝或外界條件的變化，依靠傳統的模擬電子技術(shù)，采用繼電接觸器來(lái)控制水泵電動(dòng)機運轉，達到調速目的。

3.2邏輯電子電路控制方式

      這類(lèi)控制電路往往采用一臺泵固定于變頻狀態(tài)，其余泵均為工頻狀態(tài)的方式?？刂品绞捷^為先進(jìn)，但難以實(shí)現水泵機組全部軟啟動(dòng)、全流量變頻調節。因此控制精度較低、水泵切換時(shí)水壓波動(dòng)大、調試較麻煩，且工頻泵起動(dòng)時(shí)有沖擊、抗干擾能力較弱，但系統成本較低。系統工作原理為：當消防管網(wǎng)壓力降至某一規定值（低限值）時(shí)，由壓力傳感器發(fā)出信號自動(dòng)開(kāi)啟穩壓泵對管網(wǎng)補水加壓，當壓力升至另一規定值（高限值）時(shí)自動(dòng)停泵。根據需要系統可設置消防中心聯(lián)動(dòng)接口，當消防中心發(fā)出火警信號或按動(dòng)消火栓按鈕，電控柜自動(dòng)開(kāi)啟消防主泵進(jìn)行滅火。

3.3單片機電路控制方式

      這類(lèi)控制電路優(yōu)于邏輯電子電路，但在不同管網(wǎng)、不同供水情況時(shí)調試較麻煩。因系統程序預先固化于芯片中，需要追加功能時(shí)，就要對電路進(jìn)行修改，重新刷新設置程序，不靈活也不方便，控制電路的可靠性和抗干擾能力也不高。

      筆者參與研制的ZBW系列微機控制全自動(dòng)恒壓供水系統的電路控制原理圖與系統圖。系統通過(guò)高性能單片機控制變頻調速器拖動(dòng)多臺水泵，逐臺變頻調速啟動(dòng)，實(shí)現全自動(dòng)恒壓供水。變頻穩壓泵由具有恒壓供水控制功能的變頻器控制運行。平時(shí)無(wú)火警時(shí)，由變頻穩壓泵向消防管網(wǎng)充水穩壓，使系統隨時(shí)能夠滿(mǎn)足消防給水要求。當管網(wǎng)充水穩壓到設定恒壓，穩壓泵流量趨近于零并維持一段時(shí)間（時(shí)間通過(guò)程序可控制）后，變頻穩壓泵自動(dòng)停泵，進(jìn)入等待狀態(tài)，由貯能罐維持穩壓。當管網(wǎng)壓力下降至某一設定的壓力值時(shí)，變頻穩壓泵自動(dòng)啟動(dòng)恢復恒壓穩壓。當系統接收到火災信號后，由單片機控制主消防泵（可以根據需要為一臺或數臺）依次工頻啟動(dòng)，以提供額定的消防流量和壓力。在主消防泵已投入運行的情況下，如管網(wǎng)壓力不足，由單片機控制備用消防泵自動(dòng)投入，以滿(mǎn)足消防用水流量要求。通過(guò)與消防控制中心聯(lián)網(wǎng)，可按設計程序進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)巡檢，從而實(shí)現消防聯(lián)動(dòng)控制功能。

      自來(lái)水管網(wǎng)壓力一般是周期性變化的，其壓力變化可以用時(shí)間t為變量的函數P（t）來(lái)表示。若用戶(hù)需要水壓為Pv，各個(gè)時(shí)間段需要補充的壓力不同，其函數式為Py-P（t），也以時(shí)間t為變量的函數。當P（t）Py時(shí)，系統不需補壓，處于停泵狀態(tài)。但當P（t）很小時(shí)，為避免因負壓引起管網(wǎng)破壞，此時(shí)也不能進(jìn)行補壓。當P（t）很大時(shí)，系統也因超高壓停泵。根據如上原理要求，研發(fā)設計了本設備。在設備的能量調節儀上設置4個(gè)壓力值，分別為Pm、Pn、Pv、Px（數值可根據用戶(hù)和管網(wǎng)情況設定）。Pm為超低壓停泵壓力點(diǎn)；Pn為有壓?jiǎn)⒈脡毫c(diǎn)；Pv為用戶(hù)所需要壓力點(diǎn)；Px為超壓停泵壓力點(diǎn)。設備處于運行狀態(tài)時(shí)，能量調節儀自動(dòng)監測自來(lái)水管網(wǎng)壓力變化，并控制設備在不同的狀態(tài)下運行。當自來(lái)水管網(wǎng)壓力P（t）達到Pn時(shí)（P1點(diǎn)），設備自動(dòng)開(kāi)機，水泵在變頻狀態(tài)下運行，壓力被補充；隨著(zhù)管網(wǎng)壓力的變化，當P（t）升至Pv時(shí)（P2點(diǎn)），設備自動(dòng)停機，由管網(wǎng)直接向用戶(hù)供水；當管網(wǎng)壓力波峰過(guò)后，壓力降至Pv時(shí)（P3點(diǎn)），設備又自動(dòng)開(kāi)機補壓；當管網(wǎng)壓力繼續向波谷下降至Pm時(shí)（P4點(diǎn)），設備自動(dòng)停機，以避免破壞管網(wǎng)和污染水質(zhì)。

      系統中，水泵起到對自來(lái)水補壓的作用，以滿(mǎn)足用戶(hù)對供水壓力的需求。貯能罐能接收并貯存自來(lái)水管網(wǎng)的能量，還能起到在啟泵時(shí)減輕對管網(wǎng)影響的作用。壓力傳感器用于接收用戶(hù)管網(wǎng)壓力信息，控制水泵轉速。能量調節儀接收自來(lái)水管網(wǎng)的壓力信息，調節控制水泵充分利用管網(wǎng)能量，避免對管網(wǎng)的破壞和影響?？刂乒裼糜诮邮諌毫鞲衅鞯男畔⒉⒔?jīng)處理后控制水泵的啟動(dòng)、停止和轉速。其中，能量調節儀是設備的核心部件，它本身自帶3個(gè)可隨意設定的壓力值，與自來(lái)水管網(wǎng)的壓力值相交時(shí)便產(chǎn)生了4個(gè)壓力點(diǎn)。能量調節儀將時(shí)刻監測管網(wǎng)的壓力情況。每監測到一個(gè)壓力點(diǎn)都做出相應的判斷，并將判斷結果傳輸給微機變頻控制系統，達到自動(dòng)補壓的目的。設備的啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)，對電網(wǎng)及管網(wǎng)的沖擊很小。由于該設備不設儲水池而是直接并聯(lián)于管網(wǎng)進(jìn)行補壓，減少了污染，降低了能耗。

3.4帶比例積分微分（PID）控制器和／或可編程序邏輯（PLC）控制器的控制方式該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，從而使輸出水壓連續變化。其中，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)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，也可以將壓力設定信號和壓力反饋信號送人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，輸入給變頻器一個(gè)轉速調節信號。在水泵控制系統中使用變頻調速技術(shù)，調速器的控制可以自動(dòng)，也可以手動(dòng)。變頻器的加速和減速可根據要求自動(dòng)調節，控制精度高。

3.5變頻器內部集成控制方式此種控制方式將PID、PLC的功能都以集成方式綜合到變頻器內，形成了面向控制和應用的新型變頻器。由于PID運算預先固化在變頻器內部，省去對PLC的設計和對PID的編程，而且PID參數的在線(xiàn)調試非常容易。內置PID調節器采甩了優(yōu)化算法，所以水壓調節十分平滑、穩定。

      同時(shí)，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失值，可對該信號設置濾波時(shí)間常數，同時(shí)還可對反饋信號進(jìn)行換算，使系統的調試非常簡(jiǎn)單、方便。所以采用帶有內置PID功能的變頻器生產(chǎn)出的恒壓供水設備，能夠降低設備成本，并節省安裝調試時(shí)間。

      此外，針對傳統的變頻調速供水設備的不足之處，有些產(chǎn)品設計采用了變頻調速和智能控制技術(shù)，因此多電平直接高壓變頻器、模糊控制器等器件得到了應用。如利用多電平直接高壓變頻器，可以實(shí)現高質(zhì)量的功率輸入和輸出、高功率因數和不間斷運行。采用模糊控制器會(huì )最大限度地適應被控對象的復雜性，達到控制精度高、響應快、控制規律簡(jiǎn)單的目的。

4 變頻調速技術(shù)應用于消防給水系統

（1）有消防信號外部輸入接口。當有火警或火災信號到來(lái)時(shí)，系統能自動(dòng)切換到火災狀態(tài)；

（2）設計有系統自動(dòng)巡檢功能，定時(shí)巡檢周期可根據需要設定；

（3）便于靈活配置常規泵、消防泵及其他功能泵，便于實(shí)現供水泵房全面自動(dòng)化；

（4）工作泵與備用泵不固定，可自動(dòng)定時(shí)輪換，有效地防止因為備用泵長(cháng)期不用時(shí)發(fā)生的銹死現象；

（5）故障自動(dòng)電話(huà)撥號功能。當供水系統或變頻器發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)內置串行通訊接口，與外接MODEM設備進(jìn)行信號連接，自動(dòng)啟動(dòng)預先設定的電話(huà)號碼和信息，及時(shí)通知設備維護人員進(jìn)行相應處理，可以方便地實(shí)現泵房無(wú)人值守運行；

（6）可以實(shí)現聯(lián)網(wǎng)控制，便于實(shí)現樓宇自動(dòng)化管理。

      變頻調速技術(shù)用于消防給水系統可以實(shí)現水泵電機無(wú)級調速，依據甩水量的變化自動(dòng)調節系統的運行參數，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿(mǎn)足消防用水要求。與傳統消防給水方式相比，不論是設備的投資、運行的經(jīng)濟性，還是系統的穩定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面都具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著(zhù)的節能效果。

      變頻調速技術(shù)用于水泵控制系統，具有調速性能好、節能效果顯著(zhù)、運行工藝安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。在大力提倡節約能源的今天，推廣使用這種集現代先進(jìn)電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)于一體的高科技節能裝置，對于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低能耗具有重大的現實(shí)意義?？梢哉f(shuō)變頻調速技術(shù)是一項利國利民、有廣泛應用前景的高新技術(shù)。