無負壓變頻恒壓供水自控技術研究

梁 波

隨著我國城市建設的快速發展，給排水設備也在不斷提高，從過去老式的水泵加屋頂水箱到現在變頻供水(節能、去掉了易污染的屋頂水池)。近年來又一新型的供水設備出現——無負壓變頻恒壓供水，它是在變頻恒壓供水設備上發展起來的，它主要由無負壓調節罐、水泵、氣壓罐、變頻智能控制系統等組成，利用原有自來水管網壓力進行高效節能供水方式。

1 無負壓變頻恒壓供水工作原理

無負壓自動供水系統主要由三部分構成。第一部分是前置管路，包括接市政管網、倒流防止器、過濾器、加氯機或臭氧接口;第二部分是無負壓自動調節裝置，包括氣壓罐、隔膜、真空抑制裝置、排污閥、紫外線消毒器、報警裝置、真空表等;第三部分是變頻調速增壓裝置，包括水泵組、保壓裝置、變頻控制柜、遠傳壓力表、用戶管網等。系統圖如圖1所示。

自來水管網的水直接進入調節罐，罐內的空氣從真空消除器內排出，待水充滿后，真空消除器自動關閉。當自來水能夠滿足用水壓力及水量要求時，設備通過旁通止回閥向用水管網直接供水;當自來水管網的壓力不能滿足用水要求時，系統通過壓力傳感器(或壓力控制器、電接點壓表)給出起泵信號啟動水泵運行。水泵供水時，若自來水管網的水量大于水泵流量，系統保持正常供水;用水高峰期時，若自來水管網水量小于水泵流量時，調節罐內的水作為補充水源仍能正常供水，此時，空氣由真空消除器進入調節罐，消除了自來水管網的負壓，用水高峰期過后，系統恢復正常的狀態。若自來水管網停水而導致調節罐內的水位不斷下降，液位探測器給出水泵停機信號以保護水泵機組。

2 無負壓變頻恒壓供水系統自動控制的實現

無負壓自動供水系統主要是通過微機控制變頻調速來實現恒壓供水。首先根據實際情況設定用水點工作壓力，并時刻監測市政管網壓力，當壓力低于用戶所需壓力時，微機自動控制子變頻器啟動，調節水泵轉速提高，直到管網壓力上升到用戶所需壓力，并控制水泵以一恒定轉速運行進行恒壓供水。當用水量增加時轉速提高，當用水量減少時轉速降低，時刻保證用戶的用水壓力恒定。自來水的壓力越低，水泵的轉速越高;自來水的壓力越高，水泵的轉速越低。當自來水的壓力不小于用戶所需的壓力時，水泵停止運轉。設備在運行過程中既充分利用自來水的原有壓力，又保證了用戶供水壓力恒定。設備在運行過程中，微機時刻監測市政管網和系統壓力，自動控制真空抑制器及穩流補償器來抑制負壓的產生，既充分利用了市政管網的壓力，又不產生負壓，不對市政管網產生任何不良影響，保證了用水的安全性。無負壓供水設備既能利用自來水管網的原有壓力，又能動用足夠的儲存水量滿足高峰期用水，且不會對自來水管網產生吸力。

當市政自來水管網的壓力低于用戶管網所需壓力時，控制系統會自動發出信號，控制變頻泵軟啟動運行，直到用戶管網的實際壓力相等，變頻器控制變頻泵以一恒定的轉速運行。市政自來水管網的壓力越高，則變頻泵的轉速越低;市政自來水管網的壓力越低，則變頻泵的轉速就越高。而當壓力相等時，變頻泵就延時休眠，即充分利用自來水原有的壓力，以確保用戶所需要的壓力恒定。當壓力下降到喚醒值時，水泵自動喚醒。變頻泵的進水口與隔膜無負壓罐相連，微機時刻檢測隔膜無負壓罐的壓力，通過吸氣(排氣)來穩定隔膜無負壓罐內的壓力和自來水進水的壓力，使其不產生負壓，從而保證整個自來水管網的正常供水。如果產生瞬時負壓，微機自動發出指令，先延時停止所有的工頻泵，再延時變頻減速，不停機，既能保證用戶用水，又可以緩和瞬時負壓情況。當市政自來水管網的壓力信號控制器出現故障時，報警裝置發出報警信號給變頻控制柜控制水泵，并發出聲光報警。

3 無負壓變頻恒壓供水系統自動控制的原理

第一種控制方式:變頻器+PLC。

如圖2所示，加泵時，先將變頻器供電的泵從變頻器斷開，將該泵直接接到電網上，然后用變頻器再去啟動下一臺水泵。

減泵時，變頻器輸出已到最低頻率和電壓，這時把直接接在電網上的另一臺電機從電網斷開，然后變頻器在壓力調節器的作用下，又重把它控制的電機速度調到所需流量相對應的轉速。設若一臺水泵的額定輸出流量為Qrat，需要減泵的情況是發生在從Qrat+δ Qrat到 Qrat-δ Qrat的過渡，其中，Qrat為一臺工頻泵提供的流量，δ Qrat為變頻泵提供的流量(δ=0～1)，在減泵時，δ是接近0的分數，如果突然切除一臺工頻泵，系統的流量突然減少Qrat，帶來的流量變化十分巨大。因此這種系統在減泵時的流量波動很大。

第二種控制方式:變頻器+軟啟動器+PLC。

如圖3所示，將變頻器固定控制一臺水泵電動機，在需要加減泵時，用軟啟動器來啟動或停止另外的水泵電動機。

在該系統中，由變頻器控制M0水泵電機，變頻器中的壓力調節器根據壓力反饋與給定壓力的誤差來調節變頻器輸出電壓和頻率，從而調節電機轉速和水量。當需要加泵時，例如這時需要增加第2臺水泵，就由軟啟動器SS1啟動M1電動機，隨著M1水泵輸出流量的增加，壓力調節器會自動調節M0水泵的轉速，使壓力保持在規定值。當M1電機達到額定轉速時，旁路真空接觸器CK12合閘，將電動機直接接到電網上，這時M0水泵由變頻器驅動，也穩定在某一轉速。因此在這個過程中，既沒有大的電流沖擊，也沒有大的流量波動。

當需要減泵時，例如這時需要將工頻運行的M1水泵切除掉，軟啟動器SS1便會投入運行，其可控硅處于全導通的狀態，斷開旁路真空接觸器，然后軟啟動器在TruTorque轉矩閉環控制軟件的控制下，使水泵按水泵的機械特性曲線減速，直到停止(采用這種轉矩控制方法，不會發生水錘現象)。在M1水泵減速過程中，壓力調節器也會根據水系統壓力的變化，調節M0水泵的速度，使之升速以保持水壓恒定。因此在這個過程中，也沒有大的流量波動。

兩種方案在經濟方面相差不多，但采用軟啟動器的方案比采用同步切換的方案在技術性能上要優越得多，所以優先使用第二種方案。

總之，無負壓供水系統的研究應用在供水行業中掀起了一次具有重大意義的革命。雖然它在使用中還有一些小小的限制，但是在“節能、節地、防污染”等各個方面都具有傳統供水方式所不可比擬的優勢，具有廣闊的發展空間。特別是“節能、防污染”，在能源日趨緊張、人們對生活質量水平要求越來越高的今天，是一種較為合理的供水方式。

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