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西門子變頻器在變頻恒壓供水系統(tǒng)中的智能節(jié)能化應(yīng)用

1.引言

    長(zhǎng)期以來傳統(tǒng)的區(qū)域、樓宇供水系統(tǒng)都是由市政管網(wǎng)經(jīng)過二次加壓和水塔或天面水池來滿足用戶對(duì)供水壓力的要求。在這種供水系統(tǒng)中加壓泵通常是用最不利用水點(diǎn)的水壓要求來確定相應(yīng)的揚(yáng)程設(shè)計(jì)，然后泵組根據(jù)流量變化情況來選配，并確定水泵的運(yùn)行方式。由于小區(qū)用水有著季節(jié)和時(shí)段的明顯變化，日常供水運(yùn)行控制就常采用水泵的運(yùn)行方式調(diào)整加上出口閥開度調(diào)節(jié)供水的水量水壓，大量能量消耗在出口閥而浪費(fèi)，而且存在著水池“二次污染”的問題。

    變頻調(diào)速技術(shù)在給水泵站的應(yīng)用，成功地解決了能耗和污染的兩大難題。在實(shí)際運(yùn)行中小區(qū)變頻恒壓供水技術(shù)比傳統(tǒng)的加壓供水系統(tǒng)還有水壓穩(wěn)定、維護(hù)運(yùn)行成本低等明顯優(yōu)勢(shì)。

2.變頻恒壓供水系統(tǒng)的基本原理

    變頻恒壓供水控制系統(tǒng)通過測(cè)到的管網(wǎng)壓力，經(jīng)變頻器的內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器運(yùn)算后，調(diào)節(jié)輸出頻率，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的恒壓供水。變頻器的頻率超限信號(hào)（一般可作為管網(wǎng)壓力極限信號(hào)）可適時(shí)通知PLC進(jìn)行變頻泵邏輯切換。為防止水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生，泵的啟停將聯(lián)動(dòng)其出口閥門。

    變頻恒壓供水系統(tǒng)作原理。假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)由三臺(tái)水泵，一臺(tái)變頻器（帶內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器以及簡(jiǎn)易可編程控制器的功能）和一個(gè)壓力變送器及若干輔助部件構(gòu)成。各部分功能如下：安裝于供水管道上的壓力變送器將管網(wǎng)壓力轉(zhuǎn)換成1—5伏的電信號(hào)；變頻調(diào)速器用于調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)流量；PLC用于邏輯切換。

    此外，上述系統(tǒng)還配備了外圍輔助電路，以保障自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可通過人工調(diào)節(jié)方式維持系統(tǒng)運(yùn)行，保證連續(xù)生產(chǎn)。

    由水泵－管道供水原理可知，調(diào)節(jié)供水流量，原則上有二種方法

    一是節(jié)流調(diào)節(jié)，開大供水閥，流量上升；關(guān)小供水閥，流量下降。

    二是調(diào)速調(diào)節(jié)，水泵轉(zhuǎn)速升高，供水流量增加；轉(zhuǎn)速下降，流量降低，對(duì)于用水流量經(jīng)常變化的場(chǎng)合（例如生活用水），采用調(diào)速調(diào)節(jié)流量，具有優(yōu)良的節(jié)能效果。

2.變頻調(diào)速恒壓供水的兩種工作模式

    （1）多泵并聯(lián)變頻恒壓變量供水的工作模式：當(dāng)用水流量小于一臺(tái)泵在工頻恒壓條件下的流量，由一臺(tái)變頻泵調(diào)速恒壓供水；當(dāng)用水流量增大，變頻泵的轉(zhuǎn)速自動(dòng)上升；當(dāng)變頻泵的轉(zhuǎn)速上升到工頻轉(zhuǎn)速，為用水流量進(jìn)一步增大，由變頻供水控制器控制，自動(dòng)啟動(dòng)一臺(tái)工頻泵投入，該工頻泵提供的流量是恒定的（工頻轉(zhuǎn)速恒壓下的流量），其余各并聯(lián)工頻泵按相同的原理投入。

    在多泵并聯(lián)變頻恒壓變量的供水情況下，當(dāng)用水流量下降，變頻調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速下降（變頻器供電頻率下降）；當(dāng)頻率下降到零流量的時(shí)候，變頻供水控制器發(fā)出一個(gè)指令，自動(dòng)關(guān)閉一臺(tái)工頻泵使之超出并聯(lián)供水。為了減少工頻泵自動(dòng)投入或超出時(shí)的沖擊（水力的或電流的沖擊）。在投入時(shí)，變頻泵的轉(zhuǎn)速自動(dòng)下降，然后慢慢上升以滿足恒壓供水的要求。在超出時(shí)，變頻泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)自動(dòng)上升，然后慢慢下降以滿足恒壓供水的要求。上述頻率自動(dòng)上升，下降由供水變頻控制器控制。

    （2）恒壓變量循環(huán)狀啟動(dòng)并先開先停的工作模式：在這種供水模式中，當(dāng)供水流量少于變頻泵在恒壓工頻下的流量時(shí)，由變頻泵自動(dòng)調(diào)速供水，當(dāng)用水流量增大，變頻泵的轉(zhuǎn)速升高。當(dāng)變頻泵的轉(zhuǎn)速升高到工頻轉(zhuǎn)速，由變頻供水控制器控制把該臺(tái)水泵切換到由工頻電網(wǎng)直接供電（不通過變頻器供電）。變頻器則另外啟動(dòng)一臺(tái)并聯(lián)泵投入工作。隨用水流量增大，其余各并聯(lián)泵均按上述相同的方式軟啟動(dòng)投入。這就是循環(huán)軟啟動(dòng)投入方式。

    變頻恒壓供水系統(tǒng)采用一電位器設(shè)定壓力（也可采用面板內(nèi)部設(shè)定壓力），采用一個(gè)壓力傳感器（反饋為4~20mA）檢測(cè)管網(wǎng)中壓力，壓力傳感器將信號(hào)送入變頻器PID回路，PID回路處理之后，送出一個(gè)水量增加或減少信號(hào)，控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速。如在一定延時(shí)時(shí)間內(nèi)，壓力還是不足或過大，則通過變頻器作工頻/變頻切換起動(dòng)另一臺(tái)水泵，使實(shí)際管網(wǎng)壓力與設(shè)定壓力相一致。隨著用水量的減少，變頻器自動(dòng)減少輸出頻率或切除水泵，達(dá)到了節(jié)能的目的。

3.變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方式

    變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。傳感器的任務(wù)是檢測(cè)管網(wǎng)水壓，壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的水壓期望值。壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)在輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部PID控制程序的計(jì)算，輸出給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。還有一種辦法是將壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)送入PID回路調(diào)節(jié)器，由PID回路調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)器內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算后，輸出給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào)，如圖2中虛線所示。

4.變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成

    變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由水池、變頻控制柜、壓力傳感器、離心泵、觸摸屏顯示器等組成。變頻控制柜由斷路器、變頻調(diào)速器、接觸器、中間繼電器、PLC等組成。

    供水系統(tǒng)選用原則

    (1)．蓄水池容量應(yīng)大于每小時(shí)最大供水量。

    (2)．水泵揚(yáng)程應(yīng)大于實(shí)際供水高度。

    (3)．水泵流量總和應(yīng)大于實(shí)際最大供水量。

    (4)．變頻控制柜選型：

    可根據(jù)供水量和供水高度確定水泵型號(hào)及臺(tái)數(shù)，然后對(duì)控制柜進(jìn)行選型。

5.結(jié)論

變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn)：

（1）全自動(dòng)，無(wú)人操作

    變頻恒壓供水系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)用戶用水量的大小，自動(dòng)調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速、自行決定加減泵的時(shí)間臺(tái)數(shù)以及消防巡檢的工作程序等，都無(wú)需人工干預(yù)、人工操作自動(dòng)完成。

（2）基建投資少，水源無(wú)污染，無(wú)需防凍處理

    變頻恒壓供水系統(tǒng)緊湊，節(jié)省建筑面積60~70%，節(jié)約建筑資金（相對(duì)水塔）可達(dá)到80~90%。因恒壓供水是將源水直接送到最終用戶，中間無(wú)蓄水環(huán)節(jié)，解決了水塔、水箱供水中的二次污染問題，嚴(yán)寒冬季也無(wú)需再象高位水箱那樣做防凍處理。

（3）節(jié)水節(jié)電效果明顯

    變頻恒壓供水系統(tǒng)如果不采用變頻控制時(shí)，水泵只能在工頻電源的驅(qū)動(dòng)下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)用水量下降管中壓力上升時(shí)只能通過泄壓閥將多余的壓力放掉，這樣造成了很大的能源浪費(fèi)。采用變頻控制后，可以通過調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速來控制管中壓力，這樣就達(dá)到了節(jié)能的目的。

    本變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)約用水可達(dá)15~25%；由于采用變頻調(diào)速控制，使電機(jī)水泵一直工作在高效區(qū)，加上系統(tǒng)采取的一系列節(jié)能措施可使整個(gè)供水系統(tǒng)的節(jié)電率高達(dá)20~50%。

（4）保護(hù)功能完善，實(shí)現(xiàn)不間斷供水

    變頻恒壓供水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了潛水電泵、變頻器等的使用性能，具有多種保護(hù)功能如：缺相、欠壓、過壓、過流、過熱、過載、不平衡、電機(jī)止推磨損、缺水等多種保護(hù)功能，同時(shí)系統(tǒng)的故障自診斷功能，方便了用戶排查故障，故障電話自動(dòng)拔號(hào)功能，真正實(shí)現(xiàn)了泵房無(wú)人職守運(yùn)行，系統(tǒng)還設(shè)有手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)三種工作方式，確保了供水的連續(xù)性。

（5）調(diào)試檢修簡(jiǎn)便，顯示直觀明了

    變頻恒壓供水系統(tǒng)采用最新的IPM模塊變頻器及智能型可編程控器，運(yùn)用模糊壓力控制等先進(jìn)技術(shù)，使系統(tǒng)調(diào)試維護(hù)檢修變得簡(jiǎn)單方便。系統(tǒng)的電壓、電流、反饋壓力，變頻器的輸出頻率、電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速等運(yùn)行參數(shù)直接顯示在柜體面板上，直觀明了維護(hù)方便。

（6）設(shè)置靈活、功能齊全

    通過PLC編程設(shè)計(jì)靈活配置系統(tǒng)功能，可增加定時(shí)巡檢、日周定時(shí)開關(guān)機(jī)、多壓力設(shè)定、變量變壓供水等多種特殊功能，以滿足不同用戶的特殊要求。

    可與各種接口的上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

    同時(shí)還可根據(jù)用戶需要構(gòu)成其它閉環(huán)控制系統(tǒng)，如恒液位、恒流量、比例控制等多種控制系統(tǒng)。

變頻恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用：

    （1）各類型自來水系統(tǒng)，井用潛水電泵恒壓供水系統(tǒng)。

    （2）高層建筑及住宅小區(qū)的生活用水；

    （3）工礦企業(yè)用水，對(duì)生產(chǎn)流程要求恒壓變量的供水系統(tǒng)，如循環(huán)冷卻用水、空調(diào)制冷、鍋爐采暖系統(tǒng)的穩(wěn)壓供水、游泳池循環(huán)用水；

    （4）油田管道、油庫(kù)、泵站、油港恒壓輸油系統(tǒng)及其它輸液系統(tǒng)；

    （5）農(nóng)村自來水、農(nóng)業(yè)排灌和建設(shè)施工用水、園林噴灑、水景和音樂噴泉系統(tǒng)。