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⒈變頻恒壓供水技術概述
變頻恒壓供水技術是80年代後期發展起來的，主要用於樓宇高層的加壓供水，具有水壓恒定、水質好、占地小、無高位水箱、噪音小、節能等一系列優點。該技術能實現水泵的軟起動，減小水泵起動時的沖擊電流，使水泵的使用壽命延長，在調節水泵流量時，可以節約可觀的能量。 水泵的輸出特性既決定於水泵的種類，也隨供水管網系統的阻力特性曲線不同而不同。離心式水泵的特性公式如下： (1) 式中，P為水泵的功耗(kW)；Q為使用工況點的水泵流量(m3/s)；H為使用工況點的揚程(m)；k為輸出介質常數(kg/m3)；η為使用工況點的泵效率(%)。 圖1 離心水泵的H-Q曲線 圖1給出瞭離心式水泵的H-Q曲線，可見，在水泵的工作過程中，在等於原設計工況(點A)時效率最高，偏離這個工況(點在B、C兩點間)效率就會降低。 根據水泵理論的相似定律，當水泵的轉速發生變化時，它的揚程H、流量Q及水泵功率P也隨之變化，它們之間的關系可以表示為： （2） （3） （4） 流量Q與轉速n的一次方成正比；揚程H與轉速n的平方成正比；水泵功率P與轉速n的立方成正比。 圖2 供水管網的H-Q曲線 供水管網的H-Q曲線如圖2所示。管網裝置特性(H-Q)可根據閘閥全開時測得的各種數據由式 求得。其中Hj為水泵的進出口水位高度差(m)，其大小與流量Q無關；α為供水管路的阻力系數。管網特性曲線與泵特性曲線之交點即為泵的正常使用工況點。⒉變頻恒壓供水系統的設計與實現 變頻恒壓供水系統的核心在於使用一臺或幾臺變頻器對供水系統的水泵進行變頻控制，使供水水泵盡量工作在最佳效率狀態。 ⑴ 變頻恒壓供水系統的節能原理 圖3 供水流量變化時的H-Q曲線 在圖3中，水泵額定運行時的工況點D是泵的特性曲線Nn與管路阻力曲線R1的交點。傳統的利用閥門控制的水泵，由於要減小流量，關小閥門，使閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從R1轉移到R’1，揚程則從H0升到H1，流量從Qn減小到Q1，運行工況點從D點轉移到A點。 而調速控制水泵時，閥門沒有開關變化，因此阻力曲線R1不變。為使流量改變，需要改變水泵的轉速。如果把速度從Nn降到N1，特性曲線也從Nn轉移到N1。此時，運行工況點從D點轉移到C點，揚程從H0下降到H3，流量從Qn減小到Q1。 根據公式(1)求出，運行時，在A點水泵的功耗為 ，C點水泵的功耗為 ，兩者的差值為： 。也就是說，用閥門控制水泵流量時，有ΔP功率被浪費掉瞭，並且這個損耗隨著閥門的關小而增加。 ⑵系統構成與控制方式選擇 針對給定的條件進行系統設計，由於各泵容量相等，可隻用一個變頻器，額定功率稍大於或等於泵的額定功率。由於變頻器的價格較高，因此不建議使用變頻器的雙餘度備份，但可在保護和故障容錯中做一定投資，以更好地保證系統安全穩定運行。控制器件與控制方案選擇如下： 現階段使用較多的控制器件為：微處理器（單片機或DSP）、PLC或專用變頻器。專用變頻器的主要生產廠商有三菱、ABB等公司。不同的控制裝置在控制的原理上基本是一樣的，主要有PID調節器、變頻/工頻自動切換、水網壓力檢測環節等，通過圖5所示連接而組成供水系統。 為瞭保持供水管道的壓力恒定，就必須實時檢測管道壓力並回饋給供水控制器，使其構成壓力閉環控制系統。現在最常用的控制器是以PID調節為主要手段，也有的采用瞭模糊控制等現代控制理論方法。 變頻調速供水的恒壓值一般選用最不利點（管端）恒壓控制比較準確，但該壓力信號傳輸距離太長，一方麵容易受到乾擾，另一方麵也容易出現故障，因此在用戶對供水精度要求不很高時，常以出水母管出口處壓力作為恒壓值進行控制。 對於專用變頻器，由壓力傳感器檢測到的管網壓力直接送入變頻器中的PID調節器輸入口；對微處理器（包括PLC）控制的系統，壓力設定值以及用戶管網壓力檢測值則送入微處理器中，經內部PID控制程序的計算，輸給變頻器一個轉速控制信號，當變頻器頻率達到最大時，若仍沒有達到壓力設定值，就進行變頻/工頻切換，同時重新給變頻器輸出一個轉速控制信號。壓力檢測值與壓力給定值差距越大，該輸出信號變化就越大。一旦管網壓力達到瞭設定值，該輸出控制信號就恒定下來，系統穩定運行。 在專用變頻器中，壓力給定值可以通過變頻器輸入設定，也可以通過電位器送入；而微處理器控制系統的壓力給定值也可通過相應的裝置輸入。允許用戶在現場設置PID參數，通過調試選出最佳參數，達到系統穩定。 一般情況下，PID方式的調節器就能夠滿足供水管壓力的穩定調節。然而，這種類型的閉環系統也存在著一些難以解決的問題，比如在系統的動態運行過程中，水泵電機會出現速度超調甚至不穩定的現象，對整個的供水設備具有很大的破壞性，還會減小整個系統的效率。這些問題隻能通過選定最優的PID參數或修改PID算法來解決。在此不作詳細的分析。 ⑶各條件下供水具體控制方式 恒壓供水的起動與停機： 在水泵出口母管處裝設壓力變送器和流量變送器，將壓力和流量信號送入控制器，控制器將接收到的信號進行比較、運算，並發出指令，對變頻器進行控制。如果檢測得管網壓力大於設定值，則系統不起動，當管網壓力小於設定值時，系統起動。 變頻器帶1＃泵軟起動,此時1＃泵處於變頻調速運行狀態，變頻器根據收到的信號隨時調整水泵的轉速。當1＃泵達到額定轉速仍不能滿足水壓值要求時，則該水泵自動切換到工頻狀態下運行，變頻器則控制2＃水泵，使之軟起動並運行。依此類推，直到管網壓力滿足壓力設定要求。 在用水高峰過後，由於投入多臺泵而使管網壓力超過設定值，系統依據先投先停的原則，依次停止1＃泵，2＃泵，…。先投先停可以實現對多臺泵的平均使用，有利於延長泵的使用壽命。對於所有泵的起停控制，完全由管網壓力決定。 休眠控制： 在夜間用水量非常少的情況下，為瞭節能，可以設置可以使水泵暫停工作的休眠狀態。在管網壓力允許的條件下，當變頻器輸出頻率低於某下限頻率時，變頻器停止輸出。當管網壓力小於下限設定時，再喚醒變頻器使之重新開始工作。 ⒊實際系統的設計 ⑴實際系統中應考慮的其他因素 對於實際系統來說，四臺等容量的供水泵並不是特別合理。在選取水泵時，應考慮在幾乎所有工況下都能使工作中的水泵處於高效率工作區間，因此，在夜間或需水量非常少的工況下工作的水泵可選一個比其他容量都小的。 同時，如果該系統是針對實際供水而設計的話，則應該同時考慮樓宇泵房中所需要的另兩種泵：深井泵與污水泵，顯然那樣的話系統會比現在的復雜一些。 主要由於絕大多數城市都不允許直接從市政管網吸水，因此采用變頻調速恒壓供水方式時仍然需要設置調節水池。在調節池中應安裝液深傳感器以檢測液麵高度。當水池液麵下降到一定高度時，為瞭保證消防用水，就需停止水泵運行，這個高度就是消防水位。隻有當水池液麵達到設定水位時才能恢復正常供水。 污水泵控制：一般泵房都漏水，因此有集污池。在集污池中安裝液位控制器，當污水池液麵達到排污高度時，自動起動排污泵，排完污水後自動停止排污泵。 ⑵管網水壓控制點的選擇 在本文設計的系統中，為瞭減少成本及增加可靠性而采用瞭泵口恒壓方式，隻能對由水量變化而引起的水泵剩餘揚程進行監控，它不包含管網阻力下降而產生的剩餘揚程；若采用最不利點恒壓控制方法，則水泵的調速幅度同時決定於上述兩個變化因素，使水泵調速後的揚程與管網阻力特性曲線更好地符合，以獲得最佳的節能效果。在實際工程中，較現實的做法是在條件允許的情況下，盡可能將壓力控制點靠近最不利點。 ⑶抗乾擾問題 為保證系統可靠運行，在電氣連接上應註意采取抗乾擾措施： ①交流電源側可采用RC低通濾波，以防止來自電網的乾擾。器件的直流電源輸入端跨接電容濾波。 ②處理好一點/多點接地，數字地和模擬地分開等問題。 ③信號線選用帶的雙絞線、電源線與信號線不平行佈設，弱電強電分開。 ④模擬信號采樣後，采用中值數字濾波，增加抗乾擾能力。 ⑤在硬件設計中，增加看門狗電路；軟件設計中采取瞭指令冗餘，軟件陷阱等保護措施。 ⑥當系統出現故障時，能自動聲光報警，可轉手動操作。 ⑷故障時的問題 對整個系統來說，不僅需要實現自動調節水泵轉速和軟起動的功能，電機應有過載、短路、過壓、缺相、欠壓、過熱等保護功能，對於供水管路出現的問題也應該有所識別，在故障不嚴重的情況下應能繼續運行，並對故障作出報警。 對於調節池缺水的情況，可通過液深傳感器檢測，立刻停止水泵運行。當水池水位達到運行水位時，自動恢復水泵運行。 在管網出現漏水問題及管道閥門損壞、不出水、少出水問題時，水泵運行會出現不出水或水壓達不到設定值的情況。在這種情況持續某個設定的時間之後，認定為管網缺水，系統發出故障報警信號，並提示及時進行系統檢修。 在運行過程中，若變頻器出現突然故障時，當前運行的變頻泵應自動切換至工頻狀態繼續運行，同時發出故障報警信號；若水泵電機出現故障，應及時切除有故障的水泵並發出報警信號，同時將閒置的水泵投入系統中運行。
綜上所述，采用自動化程度較高的變頻恒壓供水系統，不僅能夠最大程度地提高整個系統效率、延長系統壽命、節約能源，而且靈活性較好，能構成復雜的、功能強大的供水系統。
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