恒壓變頻供水(一)

恒壓變頻供水（一）

論文關(guān)鍵詞：恒壓變頻供水PLC壓差供水自動(dòng)控制

論文摘要：建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，合理開發(fā)、節(jié)約利用和有效保護(hù)水資源是一項(xiàng)艱巨任務(wù)。根據(jù)高校用水時(shí)間集中，用水量變化較大的特點(diǎn)，分析了校園原供水系統(tǒng)存在成本高，可靠性低，水資源浪費(fèi)，管網(wǎng)系統(tǒng)待完善的問題。提出以利用自來水水壓供水與水泵提水相結(jié)合的方式，并配以變頻器、軟啟動(dòng)器、PLC、微泄露補(bǔ)償器、壓力傳感器、液位傳感器等不同功能等傳感器，根據(jù)管網(wǎng)的壓力，通過變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，使水管中的壓力始終保持在合適的范圍。從而可以解決因樓層太高導(dǎo)致壓力不足及小流量時(shí)能耗大的問題。

另外水泵耗電功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比關(guān)系，所以水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能效果非常明顯，平均耗電量較通常供水方式節(jié)省近四成。結(jié)合使用可編程控制器，可實(shí)現(xiàn)主泵變頻，副泵軟啟動(dòng)，具有短路保護(hù)、過流保護(hù)功能，工作穩(wěn)定可靠，大大延長了電機(jī)的使用壽命。

ABSTRACT：Buildingtheconservation-orientedsociety,thereasonabledevelopment,savesandtheeffectiveprotectingwaterresourcesisanarduoustask.Becentralizedaccordingtotheuniversitywaterusedtime,thewaterconsumptionchangemajorcharacteristic,analyzedthecampusoriginalwatersupplysystemexistencecosttobehigh,thereliabilitywaslow,thewaterresourceswaste,thepipenetworksystemtreatedtheconsummationthequestion.Proposedthatdrawswaterthewaywhichusingtherunningwaterhydraulicpressurewatersupplyandthewaterpumpunifies,andmatchesbytheinverter,thesoftstarter,PLC,Microrevealsthecompensator,thepressuretransmitter,thefluidpositionsensorandsoon.accordingtothenetworkmanagementpressure,controlswaterpump‘srotationalspeedthroughtheinverter,causesinwaterpipe‘spressuremaintainsatthroughouttheappropriatescope,thusmaysolvetheproblemwhichthefloorhighpressureistooinsufficientwhensmallcurrentcapacitytheenergyconsumptionisbig.

Moreoverthewaterpumpconsumestheelectricpowerandtheelectricalmachineryrotationalspeedisproportionalthreecubedtherelations,thereforethewaterpumpvelocitymodulationmovement‘senergyconservationeffectisobvious,theaveragepowerconsumptionusualwatersupplywaysaves40%.Theunionusestheprogrammablecontroller,mayrealizethemainpumpfrequencyconversion,theauxiliarypumpsoftstart,hastheshortcircuitprotection,theoverflowprotectionfunctionstably,theworkreliable,lengthenedelectricalmachinery‘sservicelifegreatly.

Keywords:Constantpressurefrequencyconversionwatersupply,PLC,differentialpressurewatersupply,automaticcontrol

第一章緒論

恒壓供水問題的提出

水已經(jīng)成為中國21世紀(jì)的熱點(diǎn)問題，水有其自然屬性，它既是一種特殊的、不可替換的資源，又是一種可重復(fù)使用、可再生的資源；水又有其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)屬性，不僅工業(yè)、農(nóng)業(yè)的發(fā)展要靠水，水更是城市發(fā)展、人民生活的生命線。

變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)其節(jié)能、安全、供水高品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，在供水行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求是當(dāng)今先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中如何充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對(duì)合理設(shè)計(jì)變頻器調(diào)速恒壓供水設(shè)備，降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。

而高校校園的供水和一般城市供水相比較則有些特殊。主要是由于校園內(nèi)學(xué)生住宿區(qū)一般都較為集中，造成了學(xué)生宿舍、食堂的用水十分集中，且用水量較大。而其它建筑物如教室、實(shí)驗(yàn)室、教師住宿區(qū)等的用水量則相對(duì)較少。同時(shí)，用水的時(shí)間性強(qiáng)，一般在早上六點(diǎn)到八點(diǎn)，中午十一點(diǎn)到下午兩點(diǎn)，下午五點(diǎn)到七點(diǎn)，晚上九點(diǎn)到十點(diǎn)四個(gè)時(shí)間段用水量最大，而其它時(shí)間則用水量一般。某高校的某區(qū)供水方式為：把城市自來水管網(wǎng)的水源取到蓄水池后，用水泵抽到校園內(nèi)高位水池，再由高位水池向校園管網(wǎng)供水。這種方法的缺點(diǎn)是隨著高校的擴(kuò)招，學(xué)生人數(shù)顯著增多，造成了經(jīng)常性的供水不足，特別是學(xué)生宿舍和食堂最為明顯，影響了學(xué)生和教師的正常生活秩序。同時(shí)該供水方式還存在如下問題：

供水成本高。由于校園內(nèi)的用水全部單純采用水泵供水，造成電能的極大浪費(fèi)和機(jī)電設(shè)備的大量損耗。

供水可靠性低。由于水泵采用人工操作方式，高位水池的水位只能靠人為估計(jì)，而且高位水池離水泵房較遠(yuǎn)，無法做到準(zhǔn)時(shí)開機(jī)和停機(jī)。會(huì)造成供水中斷或出現(xiàn)高位水池水位過高而溢流，電能和水資源造成浪費(fèi)。另外，如果蓄水池水位過低，還會(huì)造成水泵空轉(zhuǎn)，導(dǎo)致電能浪費(fèi)和機(jī)電設(shè)備的加速損耗。

水資源浪費(fèi)。除水泵不能準(zhǔn)時(shí)停機(jī)而造成的溢流浪費(fèi)外。學(xué)生因高峰期供水中斷，故經(jīng)常打開閥門未關(guān)，造成來水后的浪費(fèi)。很多學(xué)生在上課前或睡覺前打開閥門，用水桶或臉盆接水、貯水，造成來水后大量溢流，極大地浪費(fèi)了水資源，增大了供水成本。

校園管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有缺陷。對(duì)于一般建筑物，如教室、實(shí)驗(yàn)室、教師住宿區(qū)等，本來城市自來水的正常供水即可滿足其用水量要求，但采用水泵供水后反而會(huì)出現(xiàn)樓房頂層供水不足的現(xiàn)象。同時(shí)，用水量大的學(xué)生宿舍屋頂水池設(shè)計(jì)偏小，調(diào)節(jié)能力較差。

國內(nèi)恒壓供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀

國內(nèi)恒壓供水系統(tǒng)研究狀況

目前,就國內(nèi)而言，歸結(jié)起來主要采用以下三種方法:

水池－水泵－管網(wǎng)系統(tǒng)－用水點(diǎn)

這種方式是集中供水。對(duì)于一、二層是商業(yè)群房，群房上建有多幢住宅的建筑，目前較多采用此種供水方案。一般設(shè)計(jì)有地下生活水池一座，集中恒壓變頻供水，不設(shè)屋頂水箱。主水泵一般有三臺(tái)，二開一備自動(dòng)切換，副泵為一般為一小流量泵，夜間用水量小時(shí)主泵自動(dòng)切換到副泵，以維持系統(tǒng)壓力基本不變。

恒壓變頻供水是較為理想和先進(jìn)的。首先恒壓變頻供水保證出水壓力不變，根據(jù)用水量大小進(jìn)行變頻供水，既節(jié)約電能，又保證水泵軟啟動(dòng)，延長了水泵壽命。各臺(tái)水泵自動(dòng)輪換使用，即最先投入使用的水泵最早退出運(yùn)行，這樣各臺(tái)水泵壽命均等，而且一旦水泵出現(xiàn)故障，該系統(tǒng)能自動(dòng)跳過故障泵運(yùn)行。如圖1-1所示。

水池－水泵－高位水箱－用水點(diǎn)

此方式也是集中供水。單幢次高層和高層建筑的高壓供水區(qū)較多采用該種方案。一般也需要設(shè)計(jì)有一座地下水池，通過兩臺(tái)水泵抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用水點(diǎn)。該方式是較成熟的水泵、水箱供水方式。

單元水箱－單元增壓泵－單元高位水箱－各單位用水點(diǎn)

此方式已簡化為單元總水表進(jìn)水。單元水箱和單元增壓泵實(shí)際上是一個(gè)整

體，我們稱之為單元增壓器。由于有屋頂水箱，高水位時(shí)停泵，低水位時(shí)啟泵，這樣，水泵也有了停息時(shí)間，既省電又不至于一停電就停泵無水供應(yīng)，用水有了保障，社會(huì)效益較好。

圖1-1傳統(tǒng)恒壓供水方式

各類供水系統(tǒng)的比較

水池－水泵－管網(wǎng)系統(tǒng)－用水點(diǎn)是目前國內(nèi)外普遍采用的方法。該系統(tǒng)供水采用變頻泵循環(huán)方式，以“先開先關(guān)”的順序關(guān)泵，工作泵與備用泵不固定死。[1]這樣，既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)泵有相同的運(yùn)行時(shí)間，有效地防止因?yàn)閭溆帽瞄L期不用發(fā)生銹死現(xiàn)象，提高了設(shè)備的綜合利用率，降低了維護(hù)費(fèi)用。

水池－水泵－高位水箱－用水點(diǎn)這種供水方式通過水泵抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用戶。但是這第種二次供水方式不可避免造成二次污染，影響居民的身體健康。所以這種方案并不可取，終將淘汰。

單元水箱－單元增壓泵－單元高位水箱－各單位用水點(diǎn)的確也達(dá)到了樓房高層的用戶不因城市供水管網(wǎng)水壓減小而用不到水的目標(biāo)，但是它的投資較大，總費(fèi)用比上兩種方式增加一、二十萬元。這些費(fèi)用要在用戶的水電費(fèi)上來扣除，這對(duì)于居民和學(xué)校來說是巨大的壓力，所以也不可取。

結(jié)合校園用水的特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的考慮,決定采用恒壓變頻供水系統(tǒng)。但上述的恒壓供水系統(tǒng)有一個(gè)很大的弊病，就是在一個(gè)變頻泵已經(jīng)工作但壓力仍然達(dá)不到設(shè)定壓力，需要啟動(dòng)另外一個(gè)泵時(shí)把主線路從變頻器切換到工頻線路上，從理論上講是不錯(cuò)的，變頻器輸出電壓是380V，工頻線路輸出的也是380V。但是實(shí)際應(yīng)用中工頻線路的電壓是不定的。一般在水廠的配電室里對(duì)外輸出有兩到三個(gè)檔，一個(gè)是春秋季節(jié)時(shí)用的380V的供電電壓，另一個(gè)是夏天時(shí)用的420V或420V以上，設(shè)所需水壓，單泵只能達(dá)到，則需要加泵，當(dāng)線路由變頻切換到工頻時(shí)，電壓突然增大，多出來的電壓會(huì)使水泵向上抽更多的水，很有可能使水壓超過設(shè)定值，PLC根據(jù)壓力傳感器的信號(hào)令A(yù)泵退出運(yùn)行，但實(shí)際水壓并未達(dá)到穩(wěn)定后仍然需要加泵，B泵頻率上升至50Hz，切換線路并啟動(dòng)C泵，切換時(shí)又遇到剛才的狀況，導(dǎo)致水泵頻繁切換，但水壓始終上不去。

本課題的總體方案

系統(tǒng)的總體布局圖

圖1-2系統(tǒng)總體布局圖

系統(tǒng)的總體方案

系統(tǒng)采用3臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行方式，把1泵和變頻器連接，實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行。為保護(hù)電機(jī)，2泵和3泵用軟起動(dòng)器來啟動(dòng)，起動(dòng)參數(shù)可調(diào)，而且采用軟起動(dòng)具有軟停車功能，即平滑減速，逐漸停機(jī)，它可以克服瞬間斷電停機(jī)沖擊電流大的弊病，減輕對(duì)管道的沖擊，避免高程供水系統(tǒng)的“水錘效應(yīng)”，減少設(shè)備損壞。

在工作過程中，壓力傳感器將主管網(wǎng)水壓變換為電流信號(hào)，經(jīng)模擬量輸入模塊，輸入PLC，PLC根據(jù)給定的壓力設(shè)定值與實(shí)際檢測值進(jìn)行PID運(yùn)算，

輸出控制信號(hào)經(jīng)模擬量輸出模塊至變頻器，調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的頻率。當(dāng)用水量較小時(shí)，一臺(tái)泵在變頻器的控制下恒壓運(yùn)行，當(dāng)用水量大到水泵全速運(yùn)行也不能保證管網(wǎng)的壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，壓力傳感器上傳的信號(hào)被PLC檢測到，PLC自動(dòng)將變頻泵的頻率降至出水頻率，同時(shí)將第二臺(tái)泵軟啟動(dòng)投入到工頻運(yùn)行，以保持壓力的穩(wěn)定，此時(shí)管網(wǎng)壓力恒定依靠調(diào)節(jié)變頻泵頻率實(shí)現(xiàn)；一段時(shí)間后，若2臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)仍不能滿足壓力的要求，則依次將軟啟動(dòng)下一臺(tái)水泵。當(dāng)用水量減少時(shí)，首先表現(xiàn)為變頻器已工作在最低速信號(hào)有效，這時(shí)實(shí)際壓力值大于設(shè)定壓力，PLC將最后啟動(dòng)的工頻泵停掉，以減少供水量。一段緩沖時(shí)間后，當(dāng)變頻器仍工作在出水頻率以下時(shí)，PLC再軟停車停掉第2臺(tái)工頻運(yùn)行的電機(jī)，此時(shí)管網(wǎng)壓力恒定依靠調(diào)節(jié)變頻泵頻率實(shí)現(xiàn)。

為了防止備用泵銹死，用PLC定時(shí)，B、C泵循環(huán)備用。循環(huán)時(shí)間可默認(rèn)定在每周三凌晨2點(diǎn)，因?yàn)檫@時(shí)用水量較少，備用泵循環(huán)可順利進(jìn)行。主要參數(shù)的設(shè)定可用文本顯示器來設(shè)定。省去了改寫程序的麻煩。

本系統(tǒng)的特點(diǎn)

提高備用泵的利用率，是本系統(tǒng)的第一個(gè)目的，也是第一個(gè)特點(diǎn)。

節(jié)能，是設(shè)計(jì)這套系統(tǒng)的另一個(gè)重要目的。第一，普通二級(jí)加壓水廠只單純手動(dòng)控制電機(jī)的啟動(dòng)和切換，這樣在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的啟動(dòng)電流，長此以往對(duì)電機(jī)壽命有很大損害，而且在供水時(shí)一直按工頻全速運(yùn)轉(zhuǎn)效率低、能耗大。而本系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際壓力變化自動(dòng)調(diào)整變頻器頻率，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少了能量的消耗。第二，普通恒壓供水在用水量變化較大時(shí)有高效、節(jié)能的作用，但在用水量很小的情況下，如晚上，變頻器工作在出水頻率附近，耗電量增大。下面引用我的校外導(dǎo)師的一篇文章來說明。

在山東農(nóng)村，每村平均戶數(shù)在260戶左右，每戶每月用水量大約在3t，每月全村用水量約780t，平均每天用水約26t。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，每天早、中、晚各1h用水量之和占全天用水量的80％左右，即3h供水量為21t，平均7t/h。而其他21h供水總量為，平均/h。如該村選用的潛水電泵是2OOQj32—52/4，額定流量32m/h，額定功率，則在除早、中、晚三時(shí)的時(shí)間里，其流量占額定流量的％，不足1％，而在早中晚三時(shí)，流量占額定流量的21％。根據(jù)試驗(yàn)，當(dāng)2OOQj32—52/4潛水電泵與變頻設(shè)備合理匹配的情況下，當(dāng)流量達(dá)到額定流量21％，其能耗為。

由上面的分析可知，早中晚三時(shí)供水總量為80％，而耗電量為·h；而其他21個(gè)小時(shí)，供水總量為20％，而耗電量為·h。早、中、晚三時(shí)供水量80％，只占全天耗電的21％，而其余時(shí)間供水量20％，耗電卻占全天的79％。這顯然是極不合理的現(xiàn)象。因此，必須解決好微小流量時(shí)能耗大效率低的問題。

當(dāng)流量較小時(shí)，恒壓供水模式將轉(zhuǎn)換成壓差供水模式。壓差供水模式的工作過程如下，當(dāng)流量條件滿足壓差方式時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換。變頻泵以50Hz的頻率開啟，向微泄露補(bǔ)償器壓水，當(dāng)壓力達(dá)到壓差上限時(shí)，水泵停止供水并停機(jī)。這時(shí)管道的壓力由微泄露補(bǔ)償器來提供。當(dāng)壓力傳感器檢測到壓力低于壓差下限時(shí)，變頻泵再次以工頻把補(bǔ)償器壓滿。在壓力達(dá)到壓差上限時(shí)，定時(shí)器同時(shí)計(jì)時(shí)，在變頻器若干次的啟停后，PLC自動(dòng)比較壓力由壓差上限到壓差下限的的時(shí)間是否低于系統(tǒng)設(shè)定的頻率上升時(shí)間，若都低于說明需水量已增大，系統(tǒng)就自動(dòng)切換到恒壓供水狀態(tài)。微泄露補(bǔ)償器是比傳統(tǒng)的壓力罐、氣壓罐更先進(jìn)、更環(huán)保的恒壓裝置。只使用普通氣囊儲(chǔ)氣，而微泄露補(bǔ)償器使用高質(zhì)量橡膠囊儲(chǔ)氣，杜絕了二次污染。

本系統(tǒng)是由變頻技術(shù)、壓差—恒壓自動(dòng)轉(zhuǎn)換技術(shù)及微泄露補(bǔ)