變頻給水技術在供水系統中的應用及節能分析★

魏天云

(福建船政交通職業學院，福建福州　350007)

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變頻給水技術在供水系統中的應用及節能分析★

魏天云

(福建船政交通職業學院，福建福州350007)

摘要:結合建筑給水系統的主要參數和供水系統的特性，分析比較了閥門控制法和轉速控制法調節水量的區別，并分析了水錘效應產生的原因和預防措施，采用變頻調速有利于消除水錘效應，延長水泵的使用壽命。

關鍵詞:給水系統，閥門控制，轉速控制，節能，水泵

在建筑生活給水系統中，變頻供水是一項重要的技術，它具有自動化程度高、輸水水壓穩定、對水質的影響較小，可以根據用水量大小自動調節，從而節約電能，且維護管理方便的特點，因而得到了廣泛應用。若對變頻設備的工作原理了解不透徹，選用不當，不但難以發揮設備應有的使用性能，還會造成電能的浪費，增加投資成本，達不到預期效果。因此，有必要先了解變頻給水技術的原理、節能效果和對水泵特性的影響，然后根據生活給水系統的用水特性、規模、水質特點以及投資成本等綜合考慮選用變頻設備。

1　住宅建筑給水系統主要參數

1)揚程H。單位質量的水從水泵進口到出口所增加的能量除以重力加速度。2)靜揚程HB。指集水池測壓管水面與出水池測壓管水面的標高差。3)流量Q。水泵在單位時間內抽送水的體積或質量。4)功率P。單位時間內水泵所做的功。5)管阻系數R。其影響因素較多，一般采用管路特性曲線圖來表示。揚程曲線與管阻特性曲線見圖1。

圖1　揚程曲線與管阻特性曲線

2　流量調節的方法與比較

流量是供水系統中的一個重要參數，流量控制好了才能保證節能。控制流量的方法有兩種:閥門控制法和轉速控制法［1-4］。

2．1閥門控制法

在水泵轉速保持基本不變的情況下(一般是額定轉速)，根據閥門的開度來控制供水系統流量。該方法指的是:流量的大小通過改變管路中阻力的大小來控制，但是不改變水泵自身的供水特性，從而滿足用戶的需求。由圖1可知，假設通過減小閥門的開度使到達用戶的流量Qx=60%Qn(Qn為額定流量)，此時Q—H特性曲線沒有發生變化，仍然是曲線①，而曲線③是管阻特性曲線，曲線①與曲線③的交點E即為供水系統的工作點，偏離了原先的N點，此時的流量QE(等于Qx)隨之降低，揚程變為HE，由公式可知，供水功率P1與面積ODEJ之間成正比關系。

2．2轉速控制法

在保持閥門開度不變(一般為最大開度)的情況下，供水流量的大小可以考慮采用改變水泵的轉速來實現，滿足用戶對水量不同的需求。水泵的轉速發生改變，管阻特性保持不變，但Q—H特性曲線會跟著一起發生變化。

假設到達用戶的流量為額定流量的60%，即Qx=60%Qn，可以通過降低水泵的轉速實現。此時，管阻特性曲線沒有發生改變，仍然是曲線②，但是Q—H特性曲線改變為曲線④，兩線的交點在C點，即工作點移到C點，其流量大小降到QE(等于Qx)，揚程也降到HC，此時，供水功率PC和ODCK面積之間成正比關系。

2．3兩種方法的比較

根據以上的分析可以看出，閥門控制法和轉速控制法兩種流量調節的方法存在一定的差別。即如果在用戶所需的流量小于給水系統的額定流量(Qx＜100%Qn)的條件下，采用閥門控制的揚程要比轉速控制的揚程大很多。因此，從所消耗的供水功率上來說，采用閥門控制的方式要比轉速控制的方式大很多。由此可知，采用變頻調速的供水系統具有良好的節能效果。轉速控制方式所節約的供水功率等于閥門控制方式與轉速控制方式所消耗的供水功率之差ΔP，其大小和KCEJ面積之間成正比關系。

2．4從水泵工作效率看節能

1)將水泵的有效功率P1與軸功率P2的比值定義為工作效率η:

其中，工作效率η分別涉及到供水系統的效率以及水泵自身的效率;軸功率P2指的是電動機的輸出功率;水泵的有效功率P1指的是水泵的輸出功率。

2)水泵的工作效率相對值η*用式(2)表示:

其中，C1，C2均為常數，它們之間的關系是:C1－C2=1;Q*為水泵流量的相對值;η*為水泵工作效率的相對值;n*為水泵轉速的相對值。

3)由式(2)可知，減小流量可以通過控制閥門的開度來實現，因為轉速不變，即n*=1，則Q*/n*=Q*，說明供水系統的流量降低，則水泵的工作效率也隨著顯著降低。如果閥門的開度保持不變，采用轉速控制方式來調節流量，因為流量Q*與轉速n*之間成正比關系，此時Q*/n*的比值恒定。表明采用轉速控制方式來調節供水流量，可以確保水泵的工作效率一直運行在最佳狀態，其節能效果更優［5-7］。

2．5從電動機的效率看節能

在供水系統設計過程中，水泵的額定揚程以及額定流量所受的影響因素較多，比如無法預測用戶的管路情況，難以準確計算管阻特性等，因此它們所給的裕量較大。這會出現即使在實際用水高峰期時，電動機功率還是偏大，導致它的效率和功率因數都偏低［8］。如果采用控制轉速，即把排水閥全部開啟，電動機的轉速就能適當降低，讓它在較低的頻率工作，根據負荷的大小來對輸入電壓進行調節，就能讓電動機的工作效率處于較高值，從而更好地達到節能的效果。

3　水錘效應和水泵的壽命

3．1水錘效應

異步電動機從啟動開始到額定轉速運行，大概只要花費0．25 s，在這極短時間內，管道內的水流量就能夠迅速由零增加到額定流量。水在流動過程中具有一定的動量，并在高壓下會產生壓縮現象，所以，流量在瞬間內的極大變化，會使管道內的水壓過大，流動過程中對管道造成沖擊，并由于卷入空氣而產生空化現象。由于管壁受水壓沖擊而產生噪聲，好像使用錘子來敲打管道發出的聲音一樣，這就是啟泵水錘效應。啟泵水錘效應將會引起管道產生破裂，影響正常供水系統的運行，同時，啟泵水錘效應還會使閥門以及固定件等發生損壞。

3．2水錘效應的原因分析

圖2　異步電動機和水泵在啟動過程中的機械特性示意圖

異步電動機在啟動以及制動過程中所產生的較大轉矩是引起水錘效應的根源。圖2是異步電動機和水泵在啟動過程中的機械特性示意圖，異步電動機在不同頻率下的機械特性如曲線①所示，而水泵的機械特性如曲線②所示，圖2中的陰影部分表示異步電動機與水泵的動態轉矩之差T。在異步電動機的運行過程中，其加速的時間由動態轉矩直接決定［9］:

由圖2a)可以看出，若水泵直接啟動，則異步電動機的運行系統中的轉矩(圖2a)中的陰影部分)T非常大。即此時管道壁受水流的沖擊非常大，其水錘效應的影響也比較大，所以，要控制好異步電動機在瞬時加速過程中轉矩的變化。

3．3消除水錘效應的措施

若通過轉速法來控制流量，即選擇變頻調速來調節流量的大小，如圖2b)所示，異步電動機的動態轉矩的大小將隨著其加速過程時間的延長而降低。不同頻率下異步電動機的機械特性如曲線①所示，并且水泵機械特性如曲線②所示，中間鋸齒狀線表示的是在不同頻率條件下，電動機的機械特性與水泵機械特性之間的差值，亦即升速過程中的電動機動態轉矩。同理，在異步電動機停止運行過程中，可以通過延長降速時間，從而減小其動態轉矩，盡量消除水錘效應的影響。

3．4延長水泵壽命的措施

通過采用變頻調速之后，水泵在運行過程中的動態轉矩顯著降低，有利于消除水泵的水錘效應的影響，同時，可以降低葉片所承受的應力，減小軸承的磨損，因此水泵以及管道、閥門供水系統的壽命得到明顯提高。

4　結語

1)通過比較分析閥門控制法和轉速控制法兩種流量控制方法的區別，指出采用轉速控制方式來調節供水流量可以使水泵和電動機的工作效率處于更高的狀態，從而更加節能。

2)提出消除水錘效應的措施，采用變頻調速技術有利于消除水錘效應，提高水泵的使用壽命。

參考文獻:

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［8］ 郭洪偉，劉佳．超高層建筑高位水箱設置問題探討［J］．城市建筑，2013(10):248-249．

［9］ 劉良．變頻供水系統的節能分析［J］．礦山機械，2007(3): 91-93．

中圖分類號:TU991

文獻標識碼:A

文章編號:1009-6825(2016)17-0114-02

收稿日期:2016-04-09 ★:福建省教育廳科技項目(項目編號:JA15655，JB12356)資助

作者簡介:魏天云(1979-)，女，碩士，副教授，高級工程師

Application and energy saving analysis of frequency conversion water supply technology in water supply system★

Wei Tianyun
(Fujian Chuanzheng Communications College，Fuzhou 350007，China)

Abstract:Combined with the main parameter and characteristics of building water supply system，the difference of the the way of valve control and speed control were analyzed and compared．The reason of water hammer effect was analyzed and preventive measures were put forward，frequency conversion speed regulation could eliminate water hammer effect and extend the life of pump．

Key words:water supply system，valve control，speed control，save energy，pump