1、變頻調速在恒壓供水系統(tǒng)中的節(jié)能原理

在流量穩(wěn)定的情況下，恒壓供水系統(tǒng)中水泵的額定轉數(shù)基本上是相對恒定的，這種情況下根本就不需要變頻調速，不需要去改變水泵的運轉速度。但是，事實上居民生活區(qū)的用水晝夜之間存在著很大的差異，當夜間所需水量小于正常用水量時，水泵運轉通過閥門調節(jié)的過程中，就會有大量的能量白白消耗在管阻系統(tǒng)上。

如果將變頻調速應用在恒壓供水系統(tǒng)中，變頻調速可以在用水需求量小的時刻降低水泵的轉速，進而降低水泵運轉所消耗的能耗，從而達到節(jié)能的目的。如圖1所示。

在這里，Q表示用水量，H代表揚程。

1代表閥門關小管阻特性線，2代表閥門全開管阻特性線，3代表電動機的額定轉速曲線，而4代表電動機轉速下降曲線。

水泵的供水功率可表示為PG—CP+HTQ

通過對圖1的分析，我們不難看出當水流量從QA降到QB的過程中，變頻調速系統(tǒng)能夠發(fā)揮作用，使水泵的運轉速度下降，而閥門仍然保持在原有的狀態(tài)。在QB時，水泵的揚程下降到HTc這一點，其相應的水泵供水功率PG和圖上面積OECH成正比，分析和比較以后，我們確定圖上面積HCBF與節(jié)約的供水功率正好也成正比。

可見，使用了變頻調速系統(tǒng)的恒壓供水系統(tǒng)較之沒有使用變頻調速系統(tǒng)的恒壓供水系統(tǒng)確實能夠節(jié)約更多的能耗，效果顯著。

正是由于變頻調速系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，目前，絕大部分居民區(qū)的生活供水系統(tǒng)都采用了這種變頻調速系統(tǒng)。

2、供水系統(tǒng)的變頻調速原理

2．1水泵調速運行原理

全自動變頻調速供水控制系統(tǒng)主要有PLC、變頻器、壓力變送器、液位傳感器、動力及控制線路以及泵組組成。用戶通過控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉換開關來了解和控制系統(tǒng)的運行。通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力變送器，把出口壓力信號轉換成4～20mA標準信號送入PLC內置的PID調節(jié)器，經(jīng)PID運算與給定壓力參數(shù)進行比較，得到相應參數(shù)并轉化為4～20mA電流信號并送至變頻器。

控制系統(tǒng)通過變頻器控制水泵的轉速來實現(xiàn)對供水量的調節(jié)，變頻器調節(jié)水泵的轉速不同、工作頻率也就不同。在變頻器設置中設定一個上限頻率和下限頻率檢測，當用水量大時，變頻器迅速上升到上限頻率，此時，變頻器輸出一個開關信號給PLC；當用水處于低峰時，變頻器輸出達到下限頻率，變頻器也輸出一個開關信號給PLC；兩個信號不會同時產(chǎn)生。當產(chǎn)生任何一個信號時，信號即反饋給PLC，PLC通過設定的內部程序驅動I／O端口開關量的輸出來實現(xiàn)對交流接觸器組的切換，以此協(xié)調投入工作的水泵電機臺數(shù)，并完成電機的啟停、變頻與工頻的切換。

通過調整投入工作的電機臺數(shù)和控制電機組中一臺電機的變頻轉速，使系統(tǒng)管網(wǎng)的工作壓力始終穩(wěn)定，進而達到恒壓供水的目的。供水系統(tǒng)的工作原理如圖2．1所示。在供水系統(tǒng)中，控制對象是水泵，控制目標是保持管網(wǎng)水壓恒定，控制方法是壓力信號的反饋閉環(huán)控制。

2．2水泵控制系統(tǒng)

在本文中，我們以一個實際案例做為切人點，如圖2．2所示。一個擁有3000余戶的多層住宅樓小區(qū)，該小區(qū)采用水箱——市政變頻恒壓供水，根據(jù)《GB／T50331—2002城市居民生活用水量標準》規(guī)定，結合前期對該小區(qū)用水情況的調研，最終確定該小區(qū)用水量約為810t／d，據(jù)此選定三臺立式柱塞泵，型號為揚程：53m；流量：65／h；功率：15kW，根據(jù)用水量與泵組確定生活用水水箱為150。管網(wǎng)供水壓力設定為0．35MPa，運行頻率在36～42Hz。該系統(tǒng)有手動和自動兩種運行方式。手動方式時，按下按鈕啟動和停止水泵，可根據(jù)需要分別控制1#～3#泵的啟停，該方式主要供設備調試、自動有故障和檢修時使用。自動運行時，存在以下3種主要狀態(tài)：

狀態(tài)1：1#水泵變頻運行，2#、3#未投入使用。當前用水量正常，1#泵的工作頻率在20Hz一50Hz之間。若當前壓力小于設定值，則升高1#泵的工作頻率，若達到工頻，則進入狀態(tài)2；若當前壓力等于設定值，則1#泵的工作頻率保持不變，若當前壓力大于設定值，則降低1#泵工作頻率。

狀態(tài)2：1#泵工作頻率升至工頻，1#泵轉為工頻運行，2#泵變頻啟動，若當前壓力值等于設定值，則1#、2#泵保持工作頻率不變，若當前壓力小于設定值，2#泵繼續(xù)升頻，當2#泵工作頻率升至工頻，進入狀態(tài)3。若當前壓力大于設定值，則降低2#泵的工作頻率，當2#泵的工作頻率低于20Hz時，1#泵停止運行，2#泵升頻，直到壓力達到設定值。

狀態(tài)3：1#、2#泵均為工頻運行，3#泵變頻啟動，若當前壓力值等于設定值，則3#泵工作頻率不變，若當前壓力大于設定值，3#泵工作頻率下降，當3#泵工作頻率低于20Hz時，1#泵停止工作，若此時壓力小于設定值，則3#泵工作頻率上升，若等于設定值，則3#泵頻率不變，若壓力仍然大于設定值，則降低3#泵的工作頻率，當3#泵的工作頻率低于20Hz時，則2#泵停止工作，系統(tǒng)再次判斷當前壓力值，此時由于3#泵工作頻率已介于20Hz臨界點，若管網(wǎng)正常，此時管網(wǎng)壓力會小于設定值，3#泵工作頻率一定上升。

以此類推，總之，系統(tǒng)遵循“先啟先停”原則，此外為了防止管網(wǎng)壓力變化小而導致總是一臺泵工作，故在系統(tǒng)中設定倒泵程序，每臺泵累計工作24小時(此時段可設定)，就要停止工作，順延下一臺水泵進入工作，但是恒壓優(yōu)先級最高，也就是說，當一臺或兩臺水泵在滿負荷輸出時仍然無法保證當前壓力達到設定值，則第二臺或第三臺即使在已經(jīng)工作滿24小時的情況下仍然不會退出工作。

在系統(tǒng)工作時，為了防止由于管網(wǎng)壓力波動而導致加減泵頻繁動作，系統(tǒng)中設定加泵延時2min、減泵延時2s(兩處時段均可設定)，這樣有效的控制了由于水泵頻繁啟停而對其自身的影響。

為了進一步節(jié)能，本系統(tǒng)采用水箱一市政變頻供水方式，當市政來水壓力不小于0．05MPa，時，系統(tǒng)水源采用市政來水，此時系統(tǒng)采用疊壓供水方式，水泵輸出功率降低，起到節(jié)能作用。當市政來水壓力不足0．05MPa時，系統(tǒng)水源切換至水箱供水，當市政來水壓力大于0．08MPa時，系統(tǒng)由水箱切換至市政供水。為確保水箱內存水每天能夠更換，系統(tǒng)強制要求在每天上午10：00～下午14：00強制水箱供水(此時間可通過時控開關設定)，這樣既保證了節(jié)能，又保證了水質。如圖2．2

2．3水位控制系統(tǒng)

在水箱內設有遙控浮球閥和液位計，遙控浮球閥控制水箱進水，液位計由探頭與信號線組成，探頭置于水箱底部，將液位高度通過壓差轉化為4～20mA電流信號進行標定，我們給水箱標定5個節(jié)點，當水位到達這個高度時，系統(tǒng)啟動相應的控制。這五個節(jié)點自下而上分別為水箱超低水位線(A)，水箱低水位線(B)，水箱高水位線(C)，水箱高高水位(D)，水箱超高水位線(E)。其含義分別為：

水箱超低水位線(A)：當水位到達此位置時，被系統(tǒng)認為液位計對于液位到達B點時的控制失靈，為了保證供水安全，系統(tǒng)停止工作并報警。

水箱低水位線(B)：當液位到達此位置時，水泵停止工作。系統(tǒng)判斷水箱存水不足，待液位回升到C點時，再恢復供水。

水箱高水位線(C)：液位到達此位置時，水泵重新啟動供水。

水箱高高水位線(D)：此位置與(E)點形成互鎖，當液位回落到達此位置時，進水電動閥打開。

水箱超高水位線(E)：該節(jié)點位置位于水箱進水浮球閥與水箱溢流1：3之間，其作用是當進水浮球閥失效，水位到達此節(jié)點位置時，系統(tǒng)關閉進水電動閥同時報警。如圖2．3

3、變頻恒壓供水的優(yōu)勢

變頻調速恒壓供水系統(tǒng)與傳統(tǒng)的供水方式相比，它能夠維持24小時恒定壓力，還能根據(jù)壓力信號大小實現(xiàn)無級壓力調整，避免由于壓力造成的管網(wǎng)破裂和水龍頭開啟時的共振現(xiàn)象。近年來，變頻恒壓供水系統(tǒng)漸漸取代了以往的高位水箱和壓力罐供水設施，不僅大大節(jié)省了資金和設施占地空間，還能夠減少水泵的損耗，大大延長水泵的使用壽命。變頻恒壓供水系統(tǒng)能夠有效避免傳統(tǒng)供水方式中啟停時的“水錘效應”，避免供水系統(tǒng)中水壓不穩(wěn)，同時減少水質污染問題的出現(xiàn)。

變頻恒壓供水系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶的實際用水情況，自動進行調節(jié)，調整電機的轉速，使其達到更好的節(jié)能效果。變頻恒壓供水能夠支持多泵循環(huán)工作，這樣一來，可以解決傳統(tǒng)供水方式中無論何時必須開啟至少一個泵運行的問題，大大節(jié)省了人力、物力。