變頻調速恒壓供水系統節能應用

孫文革

（新疆職業大學機械電子工程學院，烏魯木齊830013）

變頻調速恒壓供水系統節能應用

孫文革

（新疆職業大學機械電子工程學院，烏魯木齊830013）

隨著系統控制壓力的降低，變頻給水設備工況相對于工頻工況的節能效果十分明顯。中型自來水廠的水泵驅動電機一般是由高壓電機驅動，其供水壓力與流量的調節大多采用傳統方式，通過控制水泵的運行臺數，輔助于閥門開度變化的方式進行調節。由于供水時間相對集中，一日內的負荷變化較大，特別是在午夜與凌晨時段，產生大馬拉小車的現象，這種情況在春冬兩季更為明顯，既浪費能源，又使供水管網的壓力波動。論述了恒壓供水系統與其節能部分。

變頻調速；恒壓供水；控制；節能

1 引 言

隨著系統控制壓力的降低，變頻給水設備工況相對于工頻工況的節能效果十分明顯。中型自來水廠的水泵驅動電機一般是由高壓電機驅動，其供水壓力與流量的調節大多采用傳統方式，通過控制水泵的運行臺數，輔助于閥門開度變化的方式進行調節。由于供水時間相對集中，一日內的負荷變化較大，特別是在午夜與凌晨時段，產生大馬拉小車的現象，這種情況在春冬兩季更為明顯，既浪費能源，又使供水管網的壓力波動。原高壓電機以工頻電源驅動時，電機定速運行，只能靠水泵出口側的閥門來調節供水流量，不僅浪費能源，而且會產生“水錘效應”和“憋泵”現象，對此，我們采用高壓變頻器內置PID功能進行節能改造［1］。

這主要是由于變頻工況運行中控制壓力是通過改變電壓頻率獲得，因此所耗功率和壓損是隨著系統控制壓力（即流量）的下降而減少；而工頻工況運行中系統控制壓力是通過增大調節閥1的壓損來獲得，這就帶來泵負荷的增大，泵所耗功率也增大。實驗充分說明了應用變頻調速技術所帶來的巨大節能效益，特別對于負荷變化較大的變頻恒壓供水設備系統尤為明顯［2］。例如：高樓供水，啤酒發酵罐群冷媒的供水系統等等。

按用途，建筑給水分為生活供水和消防給水二大類。在生活給水系統中應用變頻恒壓供水設備泵供水要比其他供水方式具有明顯的優越性。

對于消防氣壓供水設備系統而言，由于其水量是按最大的小時消防水量進行計算的，而揚程的選定是按最大用水量時最不利點所需壓力計算的。實際上在火災初期用水量由小到大、由少到多，此時的水泵揚程總是處于超壓狀態，只有當用水量達到設計水量時壓力才達到設計值［3］。超壓狀態將給消防的安全可靠帶來不利因素，對消防人員的人身安全尤其不利，另外對消防系統本身也是不利的。采用變頻穩壓工頻消防是一種經濟、先進、實用的消防給水方案。

2 變頻調速的特點及分析

用戶用水量一般是動態的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水壓力上，即用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水質量［4］。

恒壓供水系統對于用戶是非常重要的。在生產生活供水時，若自來水供水因故壓力不足或短時斷水，可能影響生活質量，嚴重時會影響生存安全。如發生火災時，若供水壓力不足或無水供應，不能迅速滅火，可能引起重大經濟損失和人員傷亡。所以，用水區域采用恒壓供水系統，能產生較大的經濟效益和社會效益［17］。

隨著電力技術的發展，變頻調速技術日臻完善，以變頻調速為核心的智能供水控制系統取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設備，起動平穩，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的沖擊；由于泵的平均轉速降低了，從而可延長泵和閥門等東西的使用壽命；可以消除起動和停機時的水錘效應。其穩定安全的運行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實現節水、節電、節省人力，最終達到高效率的運行目的。

3 恒壓供水的變頻應用方式

通常在同一路供水系統中，設置多臺常用泵，供水量大時多臺泵全開，供水量小時開一臺或兩臺。在采用變頻調速進行恒壓供水時，就用兩種方式，其一是所有水泵配用一臺變頻器；其二是每臺水泵配用一臺變頻器。后種方法根據壓力反饋信號，通過PID運算自動調整變頻器輸出頻率，改變電動機轉速，最終達到管網恒壓的目的，就一個閉環回路，較簡單，但成本高。前種方法成本低，性能不比后種差，但控制程序較復雜，是未來的發展方向，我公司開發的BC2100系列恒壓供水控制系統就可實現一變頻器控制任意數馬達的功能。下面講到的原理都是一變頻器拖動多馬達的系統［19］。

4 PID控制原理及功能介紹

4.1 根據反饋原理

要想維持一個物理量不變或基本不變，就應該讓這個物理量與恒值比較，形成閉環系統。我們要想保持水壓恒定，就必須引入水壓反饋值與給定值比較，從而形成閉環系統。但被控制系統的特點是非線性、大慣性系統，現在控制和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來保持靜態精度。這通過PLC加智能儀表可時現該算法，同時通過對PLC的編程來實現泵的工頻與變頻之間切換。實踐證明，使用這種方法是可行的，而且造價也不高。要想維持供水網的壓力不變，根據反饋定理在管網系統的管理上安裝了壓力變送器作為反饋元件，由于供水系統管道長、管徑大，管網的充壓都較慢，故系統是一個大滯后系統，不易直接采用PID調節器進行控制，而采用PLC參與控制的方式來實現對控制系統調節作用［18］。

4.2 PID功能介紹

水泵變頻調速是一個壓力閉環控制系統，設定水泵出口側壓力參數為控制對象，當實際壓力與設定壓力發生偏差±H時，高壓變頻器則根據壓力傳感器反饋的信號，自動調節變頻器的輸出頻率與電壓，從而改變水泵驅動電機的轉速，使水泵出口側的壓力維持恒定［5］。

5 變頻控制原理

用變頻調速來實現恒壓供水，與用調節閥門來實現恒壓供水相比，節能效果十分顯著（可根據具體情況計算出來）。其優點是：

（1）起動平衡，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的沖擊；

（2）由于泵的平均轉速降低了，從而可延長泵和閥門等的使用壽命；

（3）可以消除起動和停機時的水錘效應；

一般地說，當由一臺變頻器控制一臺電動機時，只需使變頻器的配用電動機容量與實際電動機容量相符即可。當一臺變頻器同時控制兩臺電動機時，原則上變頻器的配用電動機容量應等于兩臺電動機的容量之和。但如在高峰負載時的用水量比兩臺水泵全速供水量相差很多時，可考慮適當減小變頻器的容量，但應注意留有足夠的容量［6］。

雖然水泵在低速運行時，電動機的工作電流較小。但是，當用戶的用水量變化頻繁時，電動機將處于頻繁的升、降速狀態，而升、降速的電流可略超過電動機的額定電流，導致電動機過熱。因此，電動機的熱保護是必需的。對于這種由于頻繁升、降速而積累起來的溫升，變頻器內的電子熱保護功能是難以起到保護作用的，所以應采用熱繼電器來進行電動機熱保護［7］。

在主要功能預置方面，最高頻率應以電動機的額定頻率為變頻器的最高工作頻率。升、降速時間在采用PID調節器的情況下，應盡量設定得短一些，以免影響由PID調節器決定的動態響應過程。如變頻器本身具有PID調節功能時，只要在預置時設定PID功能有效，則所設定的升速和降速時間將自動失效［8］。

6 恒壓供水系統

6.1 定時輪換功能

經過設定的時間，讓系統中的水泵進行輪換，使系統中的所有水泵輪流參與運行工作，有效防止泵的銹死現象，提高設備的綜合利用率。降低維護費用。當泵的容量基本相同時，選擇定時輪換功能比較合適，以免造成系統工作的震蕩［16］。

6.2 進水池液位檢測及控制功能

對進水池的液位進行檢測及控制，當進水池水位由高到低變化，水位高于下限水位時，系統按照正常設定壓力運行；當水位低于下限水位而高于缺水水位，系統按照非正常備用壓力運行；當水位低于缺水水位時，系統停止所有的運行。

當進水池水位由低到高變化，水位低于下限水位前，系統不運行；當水位高于下限水位而低于上限水位，按照非正常備用壓力運行；高于上限水位后，系統恢復正常壓力運行［15］。

6.3 壓力容差范圍調節功能

PID調節有容差范圍，當反饋壓力在設定壓力值的偏差極限內，壓力調節器停止調節，以提高壓力調節系統的精度與穩定性。

壓力容差范圍如圖1所示。

圖1 壓力容差范圍圖

6.4 平滑的水泵切換功能

當進行加減泵時，始終保持一臺變頻泵運行中，以使管網的壓力不會突變。對變頻泵投切到工頻泵，可設定變頻泵投切頻率，變頻泵運行在較高頻率，再投切到工頻運行，保證管網壓力的穩定［9］。

水泵切換條件如圖2所示。

圖2 水泵切換條件圖

7 變頻器參與的恒壓供水系統特點

（1）節電：變頻給水設備具有最佳的節能效果，優化的節能控制軟件，使水泵實現最大限度的節能運行；

（2）節水：根據實際用水情況設定管網壓力，自動控制水泵出水量，減少了水的跑、漏現象。

（3）運行可靠：水泵機組實現軟啟動方式，多臺水泵實現循序啟動運行，噪音低并可延長其使用壽命和保證運行的可靠性。

由變頻器實現泵的軟起動，使水泵實現由工頻到變頻的無沖擊切換，防止管網沖擊、避免管網壓力超限，管道破裂。

（4）聯網功能：采用全中文工控組態軟件，實時監控各個站點，如電機的電壓、電流、工作頻率、管網壓力及流量等。并且能夠累積每個站點的用電量，累積每臺泵的出水量，同時提供各種形式的打印報表，以便分析統計。

（5）控制靈活：分段供水，定時供水，手動選擇工作方式。

自我保護功能完善：變頻恒壓供水設備全自動運行，使用方便。如某臺泵出現故障，主動向上位機發出報警信息，同時啟動備用泵，以維持供水平衡。萬一自控系統出現故障，用戶可以直接操作手動系統，以保護供水。

（6）調速運行，可方便地實現恒壓供水、壓力可調，可避免在火災初期階段或水泵檢驗時的超壓問題［10］。

8 風機泵類負載變頻調速的節能原理

風機泵類負載一般是通過改變閥門擋板的開度進行流量、壓力調節的。圖-1為泵（風機）揚程流量特性曲線（H-Q）圖。在閥門控制的方式下，當系統流量從Qmax減少到Q1時，必須相應地關小閥門。這時，閥門的阻力變大，流體的節流損失增加，流道的阻力線從A0到A2。泵（或風機）運行的工況點，從b點移到c點，揚程從H0上升到H2，而實際需要的工況點為d點［14］。

根據泵（風機）的功率計算工式：

泵類負載調速特性曲線如圖3所示。

圖3 泵類負載調速特性曲線

P＝ρgQH／1000η

式中：

P—水泵使用工況軸功率（kW）

ρ—輸出介質的密度（kg／m3）

Q—使用工況點的流量（m3／s）

g—動力加速度（m／s2）

η—使用工況點泵的效率。

可求出運行在c點和d點泵的軸功率分別為：

Pc＝PgQ1H2／1000η；Pd＝PgQ1H1／1000η；

兩者之差為：

ΔP＝Pc-Pd＝PgQ（H2-H1）／1000η

上式說明，用閥門控制流量時，有ΔP的功率被損耗浪費掉了。而且，隨著閥門不斷關小，這個損耗還要增加［13］。

移相變壓器的多重二次繞組對電網而言，類同多相負載，它既為逆變功率單元的電壓疊加提供了條件，又解決了電源網側的諧波問題。對AMBHV1型高壓變頻器而言，每相有6個不同的相位組，形成了36脈沖的二極管整流電路。因此，它的基波電流值高，理論上講35次以下的諧波可以消除電流的畸變率THPi＜190。

AMB-HV1型高壓變頻器采用載波移相技術，各功率單元在主控CPU發生的控制電平下，依次導通關斷。各功率單元輸出的1，0，-1電平疊加后，形成了頻率電壓可調的多重化階梯形，得到了幾近完美的正弦波形。逆變功率單元由整流電路，電解電容濾波電路，H橋逆變路構成，各功率單元的輸入電壓為590V，功率模塊為低飽和壓降，耐壓為1700V的IGBT，功率單元與CPU控板之間的監控電平由光纖傳遞，使布線的雜散電感減至最少，杜絕噪聲損耗［11］。

高壓電機銘牌標定參數

額定電壓：UN＝6kV；額定電流IN＝27A；額定轉速NN＝1475r／min；額定功率PN＝220kW

電機啟動平穩，消除了刺耳的啟動噪音。

原高壓電機工頻啟動時，由于起動時間短，起動沖擊電流大（IN5～7倍），電機與水泵振動較大，會產生刺耳的噪音。使用高壓變頻器后，這些現象徹底消除。使用變頻器后，電機啟動時，電機的轉速在高壓變頻器設定的范圍內，從零開始平緩上升，電機電流亦隨之平穩變化，電流表的指針平穩偏轉，杜絕了工頻啟動時對電網的沖擊［12］。

電機啟動時，水泵出口側閥門關閉，變頻器輸出起始頻率為2Hz，電機相電流為0.6A，1分鐘以后，輸出頻率為43Hz，電機的相電流為18A。未采用變頻器時，每當用水量大，水壓低時，值班人員要及時開大水泵出口側閥門，加大出水量；而當用水量小，水壓高時，值班操作人員要及時關小水泵出口側閥門，減小出水量。采用變頻器后，網管水壓通過壓力閉環控制系統自動控制，供水壓力始終保持在0.45MPa的設定壓力上。而且，泵的啟停臺數由PLC根據工況情況自動控制，使系統由人力控制的方式上升到自動化控制的臺階。得到數據如表1所示。

表1 變頻調速與工頻定速比較

原高壓電機未裝置功率因數補償電容，盤面上的功率因數表的讀數在0.85的刻度上，使用高壓變頻器后，因高壓逆變功率單元內均裝置有大的電解電容，相當于在電網側與機之間加入了一級容性隔離。使整個系數的效率大為提高。現在功率表的讀數在0.95以上。可見，高壓變頻器不僅實現了調頻、調壓、調速，軟起動的功能，而且具有功率因數補償的功能［20］。

9 結束語

高壓變頻器具有很高的可靠性，高壓變頻器的成功運行，不僅為企業帶來了節能效益，減少了設備維修，而且提高了供水系統的自動化水平。可以說高壓變頻調速為企業節能降耗，提高經濟效益開掘了新途徑［20］。

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Application and Energy Saving of Constant Pressure Water Supply System

SUNWen-ge

（Department of Mechatronic Engineering，Xinjiang Vocational University，Urmqi830013，China）

With decreasing the pressure of system control，compared with the frequency changeless equipment，the energy can be saved obviously by frequency conversion water supply equipment，Thewater pump motor ofmedium-sized waterworks is driven by the high-pressure motor.The traditional way，controlling the number of operating pump and adjusting the open degree of the valve，is often used to adjust the water pressure and flow.Due to fixed water supply time and obvious daily load varying especially in themidnight and morning aswell as in winter and spring，thus it not only wastes the energy but alsomakes the pressure of thewater supply network fluctuated.This paper describes the energy saving of the constant pressure water supply system.

Frequency control ofmotor speed；The constant pressure water supply；Control；Energy saving

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.05.026

TP23

：A

：1002-2279（2014）05-0091-05

孫文革（1967-），男，甘肅人，實驗師，主研方向：電子技術及自動控制技術。

2013-12-18