小區變頻恒壓供水系統

摘要：
介紹了變頻調速技術節能分析，闡述了小區變頻恒壓供水系統基本構成和控制參數選擇、變頻器運行參數設置的要點，并就小區變頻恒壓供水系統的優點進行了分析。
一、 概述
交流電機變頻調速技術是一項業已廣泛應用的節能技術。由于電子技術的飛速發展，變頻器的性能有了極大提高，它可以實現控制設備軟啟軟停，不僅可以降低設備故障率，還可以大幅減少電耗，確保系統安全、穩定、長周期運行。
長期以來區域的供水系統都是由市政管網經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。在小區供水系統中加壓泵通常是用最不利用水點的水壓要求來確定相應的揚程設計，然后泵組根據流量變化情況來選配，并確定水泵的運行方式。由于小區用水有著季節和時段的明顯變化，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度調節供水的水量水壓，大量能量因消耗在出口閥而浪費，而且存在著水池“二次污染”的問題。變頻調速技術在給水泵站上應用，成功地解決了能耗和污染的兩大難題。
二、 變頻節能理論
１、交流電機變頻調速原理
交流電機轉速特性：n=60f(1-s)/p，其中n 為電機轉速，f為交流電頻率，s 為轉差率，p為極對數。
電機選定之后s 、p則為定值，電機轉速n和交流電頻率f 成正比，使用變頻器來改變交流電頻率，即可實現對電機變頻無級調速。
２、根據離心泵的負載工作原理可知：
流量與轉速成正比：Ｑ∝Ｎ
轉矩與轉速的平方成正比：Ｔ∝Ｎ２
功率與轉速的三次方成正比：Ｐ∝Ｎ３
而且變頻調速自身的能量損耗極低，在各種轉速下變頻器輸入功率幾乎等于電機軸功率，由此可知在使用變頻調速技術供水時，系統中流量變化與功率的關系：
Ｐ變＝Ｎ３Ｐ額＝Ｑ３Ｐ額
采用出口閥控制流量的方式，電機在工頻運行時，系統中流量變化與功率的關系：Ｐ閥＝（０.４+０.６Ｑ）Ｐ額
其中，Ｐ為功率
　　　Ｎ為轉速
　　　Ｑ為流量
例如設定當前流量為水泵額定流量的６０％，則采用變頻調速時Ｐ變＝Ｑ３Ｐ額＝０.２１６Ｐ額，而采用閥門控制時Ｐ閥＝（０.４+０.６Ｑ）Ｐ額＝０.７６Ｐ額，節電＝（Ｐ閥-Ｐ變）／Ｐ閥*１００％＝７１.６％。
流量% 100 90 80 70 60 50
節電率% 0 22.5 41.8 61.5 71.6 82.1
由此可見從理論計算結果可以看到節能效果非常顯著，而且在實際運行中小區變頻恒壓供水技術比傳統的加壓供水系統還有自動控制恒壓、無污染等明顯優勢。
而且新型的小區變頻恒壓供水系統能自動地控制一至多臺主泵和一臺休眠泵的運行。在管網用水量減少到單臺主泵流量的約1/6-1/8時，系統自動停止主泵，啟動小功率的休眠泵工作，保證系統小流量供水，解決小流量甚至零流量供水時大量電能的浪費問題，從運行控制上進一步節能。
三、 變頻恒壓供水系統及控制參數選擇
1、變頻恒壓供水系統組成
小區變頻恒壓供水系統通常是由水池、離心泵（主泵+休眠泵）、壓力傳感器、PID調節器、變頻器（主泵+休眠泵）、管網組成（如圖1）。工作流程是利用設置在管網上的壓力傳感器將管網系統內因用水量的變化引起的水壓變化，及時將信號（4-20mA或0-10V）反饋PID調節器，PID調節器對比設定控制壓力進行運算后給出相應的變頻指令，改變水泵的運行或轉速，使得管網的水壓與控制壓力一致。
2、變頻恒壓供水系統的參數選取
（1）、合理選取壓力控制參數，實現系統低能耗恒壓供水。這個目的的實現關鍵就在于壓力控制參數的選取，通常管網壓力控制點的選擇有兩個：一個就是管網最不利點壓力恒壓控制，另一個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）。
管網最不利點壓力恒定時，管網用水量由QMAX減少到Q1，水泵降低轉速，與用水管路特性曲線A（不變）相交于點C，水泵特性曲線下移，管網最不利點壓力H0。而泵出口壓力恒壓控制時，則Ha不變，用水量由QMAX減少到Q1與Ha交于B點，用水管路特性曲線A上移并通過B點，管網最不利點壓力變為Hb，Hb - H0的揚程差即為能量浪費，所以選擇管網最不利點的最小水頭為壓力控制參數，形成閉環壓力自控系統，使得水泵的轉速與PID調節器設定壓力相匹配，可以達到最大節能效果，而且實現了恒壓供水的目的。
（2）、變頻器在投入運行后的調試是保證系統達到最佳運行狀態的必要手段。變頻器根據負載的轉動慣量的大小，在啟動和停止電機時所需的時間不相同，設定時間過短會導致變頻器在加速時過電流、在減速時過電壓保護；設定時間過
長會導致變頻器在調速運行時使系統變得調節緩慢，反應遲滯，應變能力差，系統易處在短期不穩定狀態中。
為了變頻器不跳閘保護，現場使用當中的許多變頻器加減速時間的設置過長，它所帶來的問題很容易被設備外表的正常而掩蓋，但是變頻器達不到最佳運行狀態。所以現場使用時要根據所驅動的負載性質不同，測試出負載的允許最短加減速時間，進行設定。對于水泵電機，加減速時間的選擇在0.2-20秒之間。
四、 變頻恒壓供水系統的優點
相對與傳統的加壓供水方式，變頻恒壓供水系統的優點突出的體現在以下幾個方面：
１、高效節能
變頻恒壓供水系統的最顯著優點就是節約電能，節能量通常在10-40%。從單臺水泵的節能來看，流量越小，節能量越大。
２、恒壓供水
變頻恒壓供水系統實現了系統供水壓力穩定而流量可在大范圍內連續變化，從而可以保證用戶任何時候的用水壓力，不會出現在用水高峰期熱水器不能正常使用的情況。
３、安全衛生
系統實行閉環供水后，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、自動運行、管理簡便
新型的小區變頻恒壓供水系統具備了過流、過壓、欠壓、欠相、短路保護、瞬時停電保護、過載、失速保護、低液位保護、主泵定時輪換控制、密碼設定等功能，功能完善，全自動控制，自動運行，泵房不設崗位，只需派人定期檢查、保養。
５、延長設備壽命、保護電網穩定
使用變頻器后，機泵的轉速不再是長期維持額定轉速運行，減少了機械磨損，降低了機泵故障率，而且主泵定時輪換控制功能自動定時輪換主泵運行，保證各泵磨損均勻且不銹死，延長了機泵使用壽命。變頻器的無級調速運行，實現了機泵軟啟動，避免了電機開停時的大電流對電機線圈和電網的沖擊，消除了水泵的水錘效應。
６、占地少、投資回收期短
新型的小區變頻恒壓供水系統采用水池上直接安裝立式泵，控制間只要安放一到兩個控制柜，體積很小，整個系統占地就非常小，可以節省投資。另外不用水塔或天面水池、控制間不設專人管理、設備故障率極低等方面都實現了進一步減少投資，運行管理費低的特點，再加上變頻供水的節能優點，都決定了小區變頻恒壓供水系統的投資回收期短，一般約2年。
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