變頻技術在供水系統(tǒng)中的應用

冉晟伊　熊于菽

[摘要]傳統(tǒng)的供水方式存在較大弊端，引入先進交流電機變頻調速技術來實施恒壓供水，在提高供水質量，保持供水和用水之間的平衡以及節(jié)能方面都具有無可比擬的優(yōu)勢。

[關鍵詞]變頻調速 恒壓供水系統(tǒng)

中圖分類號：TM4文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0310128－01

在日常生活和生產當中，用戶的用水量經常變動的，供水不足或供水過剩的情況時有發(fā)生。有時，甚至嚴重影響了我們的正常生產和生活。比如，在有些生產當中，供水不足可能會造成產品質量的下降，短時斷水甚至會損壞設備。發(fā)生火情時，消防設備如果得不到足夠的供水，會引起較大的經濟損失和人員傷亡。造成這種用水和供水之間不平衡問題的原因有多方面，但都集中反映在供水的壓力上。即用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。如何提高供水質量，保持供水和用水之間的平衡。實現(xiàn)供水水壓的恒定，成為了關鍵所在。一個高質量的供水系統(tǒng)，它的供水量是根據(jù)用水量的變化而變化的，用水多時供水也多，用水少時供水也少。

一、幾種傳統(tǒng)的供水方式

目前傳統(tǒng)上常用的供水方式有水塔供水、高位水箱及地面氣壓供水等。水塔和高位水箱是蓄水設施，屬于非匹配式供水，水泵的供水量總是大于系統(tǒng)的用水量。它們都必須由水泵以高出實際用水高度的壓力來“提升”水量。當水塔和高位水箱中的水處于高位時，水泵停止工作；水位降低時，則啟動水泵進行蓄水。供水運行控制就是采用水泵的運行方式調整，加上出口閥開度調節(jié)供水的水量水壓的方式。水塔和高位水箱的供水方式存在較大不足：首先，水塔和高位水箱要占用建筑空間，還要考慮它們的承重和后期的清理、消毒、維護等問題；其次，水塔和高位水箱只能人為觀測水壓進行調節(jié)，大量能量因消耗在出口閥而浪費，在無人值守時總要開啟一個水泵運行，造成不必要的電耗。這種供水方式經常出現(xiàn)水壓不穩(wěn)，要么水量不足，要么管網(wǎng)破裂。

氣壓供水屬于匹配式供水，它是利用氣體的可壓縮性原理，在水泵直接供水的系統(tǒng)中設置一個與水泵供水管網(wǎng)串接的密閉氣壓罐，利用氣壓罐內的壓力變化自動控制水泵的啟動與停止。這樣，供水量可以適應用水量的變化而變化，保持一定的壓力對管網(wǎng)自動持續(xù)供水。氣壓供水靈活性大，易實現(xiàn)自動控制。但由于氣壓罐安裝有控制閥、安全閥、排氣閥、壓力表、水位表等配件，使氣壓罐做到完全氣密是不可能的。有時，氣壓罐一夜之間漏失的氣量可占儲氣量的60%～80%甚至更多。泄壓使水泵短時間反復啟動，直接影響了整個供水系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

二、變頻恒壓供水方式

自從通用變頻器問世以來，變頻調速技術在各個領域得到了廣泛的應用，技術日臻完善。變頻調速恒壓供水設備以其節(jié)能、安全、高品質的供水質量等優(yōu)點，使我國供水行業(yè)的技術裝備水平從90年代初開始經歷了一次飛躍，取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設備。恒壓供水調速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機無級調速，依據(jù)用水量的變化自動調節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，根據(jù)用水量的變化自動調節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。它起動平穩(wěn)，起動電流可限制在額定電流以內，從而避免了起動時對電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉速降低了，從而可延長泵和閥門等部件的使用壽命；此外，還可以消除起動和停機時的水錘效應。

目前，大多數(shù)供水系統(tǒng)采用的是比較先進的單臺變頻器控制多臺水泵的變頻恒壓控制方式。通常是由水源、2個離心泵、壓力傳感器、PID調節(jié)器、變頻器、可編程控制器（PLC）、管網(wǎng)組成。其原理圖如下：

根據(jù)系統(tǒng)用水量的變化，控制系統(tǒng)控制兩臺水泵按照1-2-3-4-1的順序運行，以保證正常供水。如果剛開始系統(tǒng)用水量不大，可控制1號泵在變頻狀態(tài)下運行，2號泵處于停止狀態(tài)，如圖的狀態(tài)1。當用水量增加，變頻器輸出頻率增加，1號泵電機的轉速也增加。當變頻器的輸出頻率達到最大時，單獨1臺水泵工作已經不能滿足供水要求。此時，控制系統(tǒng)將1號泵從變頻器電源轉換到普通的交流電源，而將2號泵接變頻器電源起動，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)2。

當系統(tǒng)用水高峰過去后，用水量逐漸減少，變頻器輸出頻率減少。若減至設定頻率時，表示只要1臺水泵就能滿足供水要求了。此時，可將1號泵停止，僅讓2號泵在變頻狀態(tài)下運行。如圖狀態(tài)3所示。如果以后用水量再次增加，變頻器輸出頻率增加，2號泵電機的轉速也增加。當變頻器的輸出頻率達到最大時，表示單獨1臺水泵工作已經不能滿足供水要求。此時，將2號泵從變頻器電源轉換到普通的交流電源，而將1號泵接變頻器電源起動，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)4。而此后如果用水量減少，則系統(tǒng)將回到狀態(tài)1。如此循環(huán)往復，以滿足系統(tǒng)用水的要求。

變頻恒壓供水系統(tǒng)工作時，關鍵是保持水壓的恒定，因此就必須引入水壓反饋值與給定值比較，從而形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)。根據(jù)被控制系統(tǒng)的非線性、大慣性的特點，采用模糊控制和PID相結合的方法，在壓力波動較大時使用模糊控制，以加快響應速度；在壓力范圍較小時采用PID來保持靜態(tài)精度。這些可以通過PLC加智能儀表可以實現(xiàn)其算法，并控制水泵的工頻與變頻之間的切換。當系統(tǒng)正常運行時，用戶用水管網(wǎng)上的壓力傳感器對用戶的用水水壓進行數(shù)據(jù)采樣，并將壓力信號轉換為電信號，傳輸至PID調節(jié)器，然后與用戶設定的壓力值進行比較和運算，并將比較和運算的結果轉換為頻率調節(jié)信號和水泵啟動臺數(shù)信號分別送至變頻器和可編程控制器（PLC）；變頻器據(jù)此調節(jié)水泵電機的電源頻率，進而調整水泵的轉速；可編程控制器械則根據(jù)PID調節(jié)器傳輸過來的水泵啟動臺數(shù)信號控制水泵的運轉狀態(tài)。就這樣，通過對水泵的啟動和停止臺數(shù)及其中變頻泵轉速的調節(jié)，將用戶管網(wǎng)中的水壓恒穩(wěn)于用戶預先設計的壓力值，使水泵組供應的水量與用戶管網(wǎng)不斷變化的用水量保持一致，達到“變頻恒壓供水”的目的。

為了應對系統(tǒng)在供水過程中變頻器出現(xiàn)故障的情況，應設計及時報警裝置，并使由變頻器供電的水泵改由普通交流電源供電，使水泵全速運行。不過這樣就要考慮到整個用水系統(tǒng)管網(wǎng)的耐壓能力，盡量選用流量揚程曲線平緩型的水泵，使其能夠承受水泵全速運行時的全揚程水壓。另外，PID調節(jié)器及可編程序控制器對多臺水泵進行控制時，應把握“先起動先停止，后起動后停止”的原則，使水泵能循環(huán)運行，每一臺的運行概率相同，避免出現(xiàn)某臺水泵經常運行，而其他水泵經常停歇的情況。

三、結束語

變頻恒壓供水方式與傳統(tǒng)的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經濟性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。有資料統(tǒng)計，變頻恒壓供水供水系統(tǒng)與理想水塔供水系統(tǒng)相比多耗電6%，與氣壓供水系統(tǒng)相比，節(jié)電14%，而總的供水設備的消耗減少90%以上，約兩年就可收回投資。變頻恒壓供水調速系統(tǒng)的這些優(yōu)越性，必將引起國內外供水設備廠家的高度重視，并不斷投入開發(fā)、生產這一領域的高新技術產品，向著高可靠性、全數(shù)字化微機控制，多品種系列化的方向快速發(fā)展。

參考文獻：

[1]周紹英，交流調速系統(tǒng)，機械工業(yè)出版社，1996.

[2]宋書中，交流調速系統(tǒng)，機械工業(yè)出版社，1999.

[3]曹承志，電機拖動與控制，沈陽工業(yè)大學出版社，2000.

[4]張少軍、杜金城，交流調速原理及應用，中國電力出版社，2003.