小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)

摘要：
介紹了變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能分析，闡述了小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)基本構(gòu)成和控制參數(shù)選擇、變頻器運(yùn)行參數(shù)設(shè)置的要點(diǎn)，并就小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了分析。
一、 概述
交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)業(yè)已廣泛應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)。由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的性能有了極大提高，它可以實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備軟啟軟停，不僅可以降低設(shè)備故障率，還可以大幅減少電耗，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行。
長期以來區(qū)域的供水系統(tǒng)都是由市政管網(wǎng)經(jīng)過二次加壓和水塔或天面水池來滿足用戶對供水壓力的要求。在小區(qū)供水系統(tǒng)中加壓泵通常是用最不利用水點(diǎn)的水壓要求來確定相應(yīng)的揚(yáng)程設(shè)計(jì)，然后泵組根據(jù)流量變化情況來選配，并確定水泵的運(yùn)行方式。由于小區(qū)用水有著季節(jié)和時(shí)段的明顯變化，日常供水運(yùn)行控制就常采用水泵的運(yùn)行方式調(diào)整加上出口閥開度調(diào)節(jié)供水的水量水壓，大量能量因消耗在出口閥而浪費(fèi)，而且存在著水池“二次污染”的問題。變頻調(diào)速技術(shù)在給水泵站上應(yīng)用，成功地解決了能耗和污染的兩大難題。
二、 變頻節(jié)能理論
１、交流電機(jī)變頻調(diào)速原理
交流電機(jī)轉(zhuǎn)速特性：n=60f(1-s)/p，其中n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速，f為交流電頻率，s 為轉(zhuǎn)差率，p為極對數(shù)。
電機(jī)選定之后s 、p則為定值，電機(jī)轉(zhuǎn)速n和交流電頻率f 成正比，使用變頻器來改變交流電頻率，即可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)變頻無級調(diào)速。
２、根據(jù)離心泵的負(fù)載工作原理可知：
流量與轉(zhuǎn)速成正比：Ｑ∝Ｎ
轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比：Ｔ∝Ｎ２
功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比：Ｐ∝Ｎ３
而且變頻調(diào)速自身的能量損耗極低，在各種轉(zhuǎn)速下變頻器輸入功率幾乎等于電機(jī)軸功率，由此可知在使用變頻調(diào)速技術(shù)供水時(shí)，系統(tǒng)中流量變化與功率的關(guān)系：
Ｐ變＝Ｎ３Ｐ額＝Ｑ３Ｐ額
采用出口閥控制流量的方式，電機(jī)在工頻運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)中流量變化與功率的關(guān)系：Ｐ閥＝（０.４+０.６Ｑ）Ｐ額
其中，Ｐ為功率
　　　Ｎ為轉(zhuǎn)速
　　　Ｑ為流量
例如設(shè)定當(dāng)前流量為水泵額定流量的６０％，則采用變頻調(diào)速時(shí)Ｐ變＝Ｑ３Ｐ額＝０.２１６Ｐ額，而采用閥門控制時(shí)Ｐ閥＝（０.４+０.６Ｑ）Ｐ額＝０.７６Ｐ額，節(jié)電＝（Ｐ閥-Ｐ變）／Ｐ閥*１００％＝７１.６％。
流量% 100 90 80 70 60 50
節(jié)電率% 0 22.5 41.8 61.5 71.6 82.1
由此可見從理論計(jì)算結(jié)果可以看到節(jié)能效果非常顯著，而且在實(shí)際運(yùn)行中小區(qū)變頻恒壓供水技術(shù)比傳統(tǒng)的加壓供水系統(tǒng)還有自動控制恒壓、無污染等明顯優(yōu)勢。
而且新型的小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)能自動地控制一至多臺主泵和一臺休眠泵的運(yùn)行。在管網(wǎng)用水量減少到單臺主泵流量的約1/6-1/8時(shí)，系統(tǒng)自動停止主泵，啟動小功率的休眠泵工作，保證系統(tǒng)小流量供水，解決小流量甚至零流量供水時(shí)大量電能的浪費(fèi)問題，從運(yùn)行控制上進(jìn)一步節(jié)能。
三、 變頻恒壓供水系統(tǒng)及控制參數(shù)選擇
1、變頻恒壓供水系統(tǒng)組成
小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)通常是由水池、離心泵（主泵+休眠泵）、壓力傳感器、PID調(diào)節(jié)器、變頻器（主泵+休眠泵）、管網(wǎng)組成（如圖1）。工作流程是利用設(shè)置在管網(wǎng)上的壓力傳感器將管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)因用水量的變化引起的水壓變化，及時(shí)將信號（4-20mA或0-10V）反饋PID調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器對比設(shè)定控制壓力進(jìn)行運(yùn)算后給出相應(yīng)的變頻指令，改變水泵的運(yùn)行或轉(zhuǎn)速，使得管網(wǎng)的水壓與控制壓力一致。
2、變頻恒壓供水系統(tǒng)的參數(shù)選取
（1）、合理選取壓力控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低能耗恒壓供水。這個(gè)目的的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵就在于壓力控制參數(shù)的選取，通常管網(wǎng)壓力控制點(diǎn)的選擇有兩個(gè)：一個(gè)就是管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力恒壓控制，另一個(gè)就是泵出口壓力恒壓控制。兩者如何選擇，我們來簡單分析一下（如圖2）。
管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力恒定時(shí)，管網(wǎng)用水量由QMAX減少到Q1，水泵降低轉(zhuǎn)速，與用水管路特性曲線A（不變）相交于點(diǎn)C，水泵特性曲線下移，管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力H0。而泵出口壓力恒壓控制時(shí)，則Ha不變，用水量由QMAX減少到Q1與Ha交于B點(diǎn)，用水管路特性曲線A上移并通過B點(diǎn)，管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力變?yōu)镠b，Hb - H0的揚(yáng)程差即為能量浪費(fèi)，所以選擇管網(wǎng)最不利點(diǎn)的最小水頭為壓力控制參數(shù)，形成閉環(huán)壓力自控系統(tǒng)，使得水泵的轉(zhuǎn)速與PID調(diào)節(jié)器設(shè)定壓力相匹配，可以達(dá)到最大節(jié)能效果，而且實(shí)現(xiàn)了恒壓供水的目的。
（2）、變頻器在投入運(yùn)行后的調(diào)試是保證系統(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)的必要手段。變頻器根據(jù)負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量的大小，在啟動和停止電機(jī)時(shí)所需的時(shí)間不相同，設(shè)定時(shí)間過短會導(dǎo)致變頻器在加速時(shí)過電流、在減速時(shí)過電壓保護(hù)；設(shè)定時(shí)間過
長會導(dǎo)致變頻器在調(diào)速運(yùn)行時(shí)使系統(tǒng)變得調(diào)節(jié)緩慢，反應(yīng)遲滯，應(yīng)變能力差，系統(tǒng)易處在短期不穩(wěn)定狀態(tài)中。
為了變頻器不跳閘保護(hù)，現(xiàn)場使用當(dāng)中的許多變頻器加減速時(shí)間的設(shè)置過長，它所帶來的問題很容易被設(shè)備外表的正常而掩蓋，但是變頻器達(dá)不到最佳運(yùn)行狀態(tài)。所以現(xiàn)場使用時(shí)要根據(jù)所驅(qū)動的負(fù)載性質(zhì)不同，測試出負(fù)載的允許最短加減速時(shí)間，進(jìn)行設(shè)定。對于水泵電機(jī)，加減速時(shí)間的選擇在0.2-20秒之間。
四、 變頻恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
相對與傳統(tǒng)的加壓供水方式，變頻恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)突出的體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
１、高效節(jié)能
變頻恒壓供水系統(tǒng)的最顯著優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)約電能，節(jié)能量通常在10-40%。從單臺水泵的節(jié)能來看，流量越小，節(jié)能量越大。
２、恒壓供水
變頻恒壓供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定而流量可在大范圍內(nèi)連續(xù)變化，從而可以保證用戶任何時(shí)候的用水壓力，不會出現(xiàn)在用水高峰期熱水器不能正常使用的情況。
３、安全衛(wèi)生
系統(tǒng)實(shí)行閉環(huán)供水后，用戶的水全部由管道直接供給，取消了水塔、天面水池、氣壓罐等設(shè)施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。
４、自動運(yùn)行、管理簡便
新型的小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)具備了過流、過壓、欠壓、欠相、短路保護(hù)、瞬時(shí)停電保護(hù)、過載、失速保護(hù)、低液位保護(hù)、主泵定時(shí)輪換控制、密碼設(shè)定等功能，功能完善，全自動控制，自動運(yùn)行，泵房不設(shè)崗位，只需派人定期檢查、保養(yǎng)。
５、延長設(shè)備壽命、保護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定
使用變頻器后，機(jī)泵的轉(zhuǎn)速不再是長期維持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，減少了機(jī)械磨損，降低了機(jī)泵故障率，而且主泵定時(shí)輪換控制功能自動定時(shí)輪換主泵運(yùn)行，保證各泵磨損均勻且不銹死，延長了機(jī)泵使用壽命。變頻器的無級調(diào)速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了機(jī)泵軟啟動，避免了電機(jī)開停時(shí)的大電流對電機(jī)線圈和電網(wǎng)的沖擊，消除了水泵的水錘效應(yīng)。
６、占地少、投資回收期短
新型的小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)采用水池上直接安裝立式泵，控制間只要安放一到兩個(gè)控制柜，體積很小，整個(gè)系統(tǒng)占地就非常小，可以節(jié)省投資。另外不用水塔或天面水池、控制間不設(shè)專人管理、設(shè)備故障率極低等方面都實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步減少投資，運(yùn)行管理費(fèi)低的特點(diǎn)，再加上變頻供水的節(jié)能優(yōu)點(diǎn)，都決定了小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)的投資回收期短，一般約2年。
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