變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)⒈變頻恒壓供水技術(shù)概述變頻恒壓供水技術(shù)是80年代后期發(fā)展起來(lái)的，主要用于樓宇高層的加壓供水，具有水壓恒定、水質(zhì)好、占地小、無(wú)高位水箱、噪音小、節(jié)能等一系列優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)水泵的軟起動(dòng)，減小水泵起動(dòng)時(shí)的沖擊電流，使水泵的使用壽命延長(zhǎng)，在調(diào)節(jié)水泵流量時(shí)，可以節(jié)約可觀的能量。水泵的輸出特性既決定于水泵的種類(lèi)，也隨供水管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力特性曲線(xiàn)不同而不同。離心式水泵的特性公式如下：

(1)式中，P為水泵的功耗(kW)；Q為使用工況點(diǎn)的水泵流量(m3/s)；H為使用工況點(diǎn)的揚(yáng)程(m)；k為輸出介質(zhì)常數(shù)(kg/m3)；η為使用工況點(diǎn)的泵效率(%)。圖1

離心水泵的H-Q曲線(xiàn)圖1給出了離心式水泵的H-Q曲線(xiàn)，可見(jiàn)，在水泵的工作過(guò)程中，在等于原設(shè)計(jì)工況(點(diǎn)A)時(shí)效率最高，偏離這個(gè)工況(點(diǎn)在B、C兩點(diǎn)間)效率就會(huì)降低。根據(jù)水泵理論的相似定律，當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，它的揚(yáng)程H、流量Q及水泵功率P也隨之變化，它們之間的關(guān)系可以表示為：（2）（3）（4）流量Q與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比；揚(yáng)程H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比；水泵功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比。圖2

供水管網(wǎng)的H-Q曲線(xiàn)供水管網(wǎng)的H-Q曲線(xiàn)如圖2所示。管網(wǎng)裝置特性(H-Q)可根據(jù)閘閥全開(kāi)時(shí)測(cè)得的各種數(shù)據(jù)由式求得。其中Hj為水泵的進(jìn)出口水位高度差(m)，其大小與流量Q無(wú)關(guān)；α為供水管路的阻力系數(shù)。管網(wǎng)特性曲線(xiàn)與泵特性曲線(xiàn)之交點(diǎn)即為泵的正常使用工況點(diǎn)。⒉變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的核心在于使用一臺(tái)或幾臺(tái)變頻器對(duì)供水系統(tǒng)的水泵進(jìn)行變頻控制，使供水水泵盡量工作在最佳效率狀態(tài)。⑴變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理圖3供水流量變化時(shí)的H-Q曲線(xiàn)在圖3中，水泵額定運(yùn)行時(shí)的工況點(diǎn)D是泵的特性曲線(xiàn)Nn與管路阻力曲線(xiàn)R1的交點(diǎn)。傳統(tǒng)的利用閥門(mén)控制的水泵，由于要減小流量，關(guān)小閥門(mén)，使閥門(mén)的摩擦阻力變大，阻力曲線(xiàn)從R1轉(zhuǎn)移到R’1，揚(yáng)程則從H0升到H1，流量從Qn減小到Q1，運(yùn)行工況點(diǎn)從D點(diǎn)轉(zhuǎn)移到A點(diǎn)。而調(diào)速控制水泵時(shí)，閥門(mén)沒(méi)有開(kāi)關(guān)變化，因此阻力曲線(xiàn)R1不變。為使流量改變，需要改變水泵的轉(zhuǎn)速。如果把速度從Nn降到N1，特性曲線(xiàn)也從Nn轉(zhuǎn)移到N1。此時(shí)，運(yùn)行工況點(diǎn)從D點(diǎn)轉(zhuǎn)移到C點(diǎn)，揚(yáng)程從H0下降到H3，流量從Qn減小到Q1。根據(jù)公式(1)求出，運(yùn)行時(shí)，在A點(diǎn)水泵的功耗為，C點(diǎn)水泵的功耗為，兩者的差值為：。也就是說(shuō)，用閥門(mén)控制水泵流量時(shí)，有ΔP功率被浪費(fèi)掉了，并且這個(gè)損耗隨著閥門(mén)的關(guān)小而增加。⑵系統(tǒng)構(gòu)成與控制方式選擇針對(duì)給定的條件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由于各泵容量相等，可只用一個(gè)變頻器，額定功率稍大于或等于泵的額定功率。由于變頻器的價(jià)格較高，因此不建議使用變頻器的雙余度備份，但可在保護(hù)和故障容錯(cuò)中做一定投資，以更好地保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行?？刂破骷c控制方案選擇如下：現(xiàn)階段使用較多的控制器件為：微處理器（單片機(jī)或DSP）、PLC或?qū)Ｓ米冾l器。專(zhuān)用變頻器的主要生產(chǎn)廠商有三菱、ABB等公司。不同的控制裝置在控制的原理上基本是一樣的，主要有PID調(diào)節(jié)器、變頻/工頻自動(dòng)切換、水網(wǎng)壓力檢測(cè)環(huán)節(jié)等，通過(guò)圖5所示連接而組成供水系統(tǒng)。為了保持供水管道的壓力恒定，就必須實(shí)時(shí)檢測(cè)管道壓力并回饋給供水控制器，使其構(gòu)成壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在最常用的控制器是以PID調(diào)節(jié)為主要手段，也有的采用了模糊控制等現(xiàn)代控制理論方法。變頻調(diào)速供水的恒壓值一般選用最不利點(diǎn)（管端）恒壓控制比較準(zhǔn)確，但該壓力信號(hào)傳輸距離太長(zhǎng)，一方面容易受到干擾，另一方面也容易出現(xiàn)故障，因此在用戶(hù)對(duì)供水精度要求不很高時(shí)，常以出水母管出口處壓力作為恒壓值進(jìn)行控制。對(duì)于專(zhuān)用變頻器，由壓力傳感器檢測(cè)到的管網(wǎng)壓力直接送入變頻器中的PID調(diào)節(jié)器輸入口；對(duì)微處理器（包括PLC）控制的系統(tǒng)，壓力設(shè)定值以及用戶(hù)管網(wǎng)壓力檢測(cè)值則送入微處理器中，經(jīng)內(nèi)部PID控制程序的計(jì)算，輸給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)，當(dāng)變頻器頻率達(dá)到最大時(shí)，若仍沒(méi)有達(dá)到壓力設(shè)定值，就進(jìn)行變頻/工頻切換，同時(shí)重新給變頻器輸出一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。壓力檢測(cè)值與壓力給定值差距越大，該輸出信號(hào)變化就越大。一旦管網(wǎng)壓力達(dá)到了設(shè)定值，該輸出控制信號(hào)就恒定下來(lái)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。在專(zhuān)用變頻器中，壓力給定值可以通過(guò)變頻器輸入設(shè)定，也可以通過(guò)電位器送入；而微處理器控制系統(tǒng)的壓力給定值也可通過(guò)相應(yīng)的裝置輸入。允許用戶(hù)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置PID參數(shù)，通過(guò)調(diào)試選出最佳參數(shù)，達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定。一般情況下，PID方式的調(diào)節(jié)器就能夠滿(mǎn)足供水管壓力的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。然而，這種類(lèi)型的閉環(huán)系統(tǒng)也存在著一些難以解決的問(wèn)題，比如在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，水泵電機(jī)會(huì)出現(xiàn)速度超調(diào)甚至不穩(wěn)定的現(xiàn)象，對(duì)整個(gè)的供水設(shè)備具有很大的破壞性，還會(huì)減小整個(gè)系統(tǒng)的效率。這些問(wèn)題只能通過(guò)選定最優(yōu)的PID參數(shù)或修改PID算法來(lái)解決。在此不作詳細(xì)的分析。⑶各條件下供水具體控制方式恒壓供水的起動(dòng)與停機(jī)：在水泵出口母管處裝設(shè)壓力變送器和流量變送器，將壓力和流量信號(hào)送入控制器，控制器將接收到的信號(hào)進(jìn)行比較、運(yùn)算，并發(fā)出指令，對(duì)變頻器進(jìn)行控制。如果檢測(cè)得管網(wǎng)壓力大于設(shè)定值，則系統(tǒng)不起動(dòng)，當(dāng)管網(wǎng)壓力小于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)起動(dòng)。變頻器帶1＃泵軟起動(dòng),此時(shí)1＃泵處于變頻調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)，變頻器根據(jù)收到的信號(hào)隨時(shí)調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速。當(dāng)1＃泵達(dá)到額定轉(zhuǎn)速仍不能滿(mǎn)足水壓值要求時(shí)，則該水泵自動(dòng)切換到工頻狀態(tài)下運(yùn)行，變頻器則控制2＃水泵，使之軟起動(dòng)并運(yùn)行。依此類(lèi)推，直到管網(wǎng)壓力滿(mǎn)足壓力設(shè)定要求。在用水高峰過(guò)后，由于投入多臺(tái)泵而使管網(wǎng)壓力超過(guò)設(shè)定值，系統(tǒng)依據(jù)先投先停的原則，依次停止1＃泵，2＃泵，…。先投先?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)泵的平均使用，有利于延長(zhǎng)泵的使用壽命。對(duì)于所有泵的起?？刂?，完全由管網(wǎng)壓力決定。休眠控制：在夜間用水量非常少的情況下，為了節(jié)能，可以設(shè)置可以使水泵暫停工作的休眠狀態(tài)。在管網(wǎng)壓力允許的條件下，當(dāng)變頻器輸出頻率低于某下限頻率時(shí)，變頻器停止輸出。當(dāng)管網(wǎng)壓力小于下限設(shè)定時(shí)，再喚醒變頻器使之重新開(kāi)始工作。⒊實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)⑴實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)考慮的其他因素對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，四臺(tái)等容量的供水泵并不是特別合理。在選取水泵時(shí)，應(yīng)考慮在幾乎所有工況下都能使工作中的水泵處于高效率工作區(qū)間，因此，在夜間或需水量非常少的工況下工作的水泵可選一個(gè)比其他容量都小的。同時(shí)，如果該系統(tǒng)是針對(duì)實(shí)際供水而設(shè)計(jì)的話(huà)，則應(yīng)該同時(shí)考慮樓宇泵房中所需要的另兩種泵：深井泵與污水泵，顯然那樣的話(huà)系統(tǒng)會(huì)比現(xiàn)在的復(fù)雜一些。主要由于絕大多數(shù)城市都不允許直接從市政管網(wǎng)吸水，因此采用變頻調(diào)速恒壓供水方式時(shí)仍然需要設(shè)置調(diào)節(jié)水池。在調(diào)節(jié)池中應(yīng)安裝液深傳感器以檢測(cè)液面高度。當(dāng)水池液面下降到一定高度時(shí)，為了保證消防用水，就需停止水泵運(yùn)行，這個(gè)高度就是消防水位。只有當(dāng)水池液面達(dá)到設(shè)定水位時(shí)才能恢復(fù)正常供水。污水泵控制：一般泵房都漏水，因此有集污池。在集污池中安裝液位控制器，當(dāng)污水池液面達(dá)到排污高度時(shí)，自動(dòng)起動(dòng)排污泵，排完污水后自動(dòng)停止排污泵。⑵管網(wǎng)水壓控制點(diǎn)的選擇在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，為了減少成本及增加可靠性而采用了泵口恒壓方式，只能對(duì)由水量變化而引起的水泵剩余揚(yáng)程進(jìn)行監(jiān)控，它不包含管網(wǎng)阻力下降而產(chǎn)生的剩余揚(yáng)程；若采用最不利點(diǎn)恒壓控制方法，則水泵的調(diào)速幅度同時(shí)決定于上述兩個(gè)變化因素，使水泵調(diào)速后的揚(yáng)程與管網(wǎng)阻力特性曲線(xiàn)更好地符合，以獲得最佳的節(jié)能效果。在實(shí)際工程中，較現(xiàn)實(shí)的做法是在條件允許的情況下，盡可能將壓力控制點(diǎn)靠近最不利點(diǎn)。⑶抗干擾問(wèn)題為保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，在電氣連接上應(yīng)注意采取抗干擾措施：①交流電源側(cè)可采用RC低通濾波，以防止來(lái)自電網(wǎng)的干擾。器件的直流電源輸入端跨接電容濾波。②處理好一點(diǎn)/多點(diǎn)接地，數(shù)字地和模擬地分開(kāi)等問(wèn)題。③信號(hào)線(xiàn)選用帶屏蔽的雙絞線(xiàn)、電源線(xiàn)與信號(hào)線(xiàn)不平行布設(shè)，弱電強(qiáng)電分開(kāi)。④模擬信號(hào)采樣后，采用中值數(shù)字濾波，增加抗干擾能力。⑤在硬件設(shè)計(jì)中，增加看門(mén)狗電路；軟件設(shè)計(jì)中采取了指令冗余，軟件陷阱等保護(hù)措施。⑥當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能自動(dòng)聲光報(bào)警，可轉(zhuǎn)手動(dòng)操作。⑷故障時(shí)的問(wèn)題對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，不僅需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速和軟起動(dòng)的功能，電機(jī)應(yīng)有過(guò)載、短路、過(guò)壓、缺相、欠壓、過(guò)熱等保護(hù)功能，對(duì)于供水管路出現(xiàn)的問(wèn)題也應(yīng)該有所識(shí)別，在故障不嚴(yán)重的情況下應(yīng)能繼續(xù)運(yùn)行，并對(duì)故障作出報(bào)警。對(duì)于調(diào)節(jié)池缺水的情況，可通過(guò)液深傳感器檢測(cè)，立刻停止水泵運(yùn)行。當(dāng)水池水位達(dá)到運(yùn)行水位時(shí)，自動(dòng)恢復(fù)水泵運(yùn)行。在管網(wǎng)出現(xiàn)漏水問(wèn)題及管道閥門(mén)損壞、不出水、少出水問(wèn)題時(shí)，水泵運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)不出水或水壓達(dá)不到設(shè)定值的情況。在這種情況持續(xù)某個(gè)設(shè)定的時(shí)間之后，認(rèn)定為管網(wǎng)缺水，系統(tǒng)發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，并提示及