變頻恒壓供水簡(jiǎn)介

1、工業(yè)之家工業(yè)之家主講：雷強(qiáng)YY：115820變頻恒壓供水簡(jiǎn)介變頻恒壓供水簡(jiǎn)介 采用變頻調(diào)速技術(shù)的恒壓供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，使我國(guó)供水行業(yè)的技術(shù)裝備水平經(jīng)歷了一次飛躍。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵無(wú)級(jí)調(diào)速， 采用PID調(diào)節(jié)保持供水系統(tǒng)壓力恒定以滿足用水要求。 我們知道，大樓啟用最基本的條件就是要有供水系統(tǒng)。自來(lái)水廠通過(guò)城市輸、配水管供水，水壓一般在0.4MPa左右，所以五層以下住戶直接使用市政管網(wǎng)正常用水是沒(méi)有問(wèn)題的。但目前城市除了建普通建筑以外，還要建次高層建筑和高層建筑。相比之下，次高層建筑（特別是住宅）和高層建筑容積率高，經(jīng)濟(jì)效益大，更得到市場(chǎng)的青睞。而這類建筑的供水

2、就涉及到供水難的問(wèn)題。 n1.1 常見幾種供水方式 一般高層、次高層建筑供水采用以下幾種方式： l (1) 水池水泵水塔（高位水箱）用水點(diǎn) 以前的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。一般需要設(shè)計(jì)有一座地下水池，通過(guò)兩臺(tái)水泵（一用一備）抽水送至水塔（高位水箱），再由其向下供水至各用水點(diǎn)。 水塔l (2) 水池水泵（恒壓變頻）管網(wǎng)系統(tǒng)用水點(diǎn) 此方式也是集中供水。對(duì)于多幢住宅的建筑小區(qū)，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。最不利的用水點(diǎn)是頂層住宅。主水泵一般有3-4臺(tái)， 3用一備自動(dòng)切換，輔助泵為一小流量泵，夜間用水量小時(shí)主泵自動(dòng)切換到

3、輔助泵，以維持系統(tǒng)壓力基本不變。 變頻器恒壓供水系統(tǒng)n1.2 經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益比較 第一種方式采用傳統(tǒng)的水塔、高位水箱，樓底水泵將蓄水池的用水打到樓頂水箱，樓頂水箱中的水在利用自身的重力壓到用水管道。這是一個(gè)很簡(jiǎn)單的供水模式，它最主要的問(wèn)題就在于水泵工作時(shí)間的控制上面了，剛開始時(shí)，專門安排專職人員開關(guān)水泵，沒(méi)水了開泵，水滿出來(lái)了就關(guān)泵。這樣做不僅麻煩，還浪費(fèi)了人力，而且高位水塔的清洗也成問(wèn)題。 第二種方式采用變頻恒壓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)（對(duì)電網(wǎng)電壓沖擊不大），延長(zhǎng)了水泵壽命。各臺(tái)水泵自動(dòng)輪換使用，即最先

4、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(guò)故障泵運(yùn)行。還可減少屋頂水箱的二次污染和保證頂層的供水壓力（用熱水器壓力也沒(méi)問(wèn)題）。 90年代初，變頻器作為一種新興的電子產(chǎn)品進(jìn)入中國(guó)大陸，生產(chǎn)廠家和工程應(yīng)用人員就對(duì)它發(fā)生了濃厚的興趣，它能對(duì)電機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速而且不改變電機(jī)固有的機(jī)械特性，在水泵上面的應(yīng)用得到了最完美的體現(xiàn)。再加上平衡的軟啟動(dòng)特性，人們開辟了一個(gè)嶄新變頻恒壓供水領(lǐng)域。到了90年代后期，許多地區(qū)規(guī)定，新建住房上面不能設(shè)有水箱，取消原有的水箱供水方式。至此，變頻恒壓供水系統(tǒng)已經(jīng)完全成熟，被各個(gè)建筑開發(fā)商所采用 剛開始變頻器只擁有簡(jiǎn)單的調(diào)速功能

5、，而要恒壓就必須要做閉環(huán)，也就需要PID調(diào)節(jié)器。還需要PLC（可編程控制器）對(duì)水泵使用的臺(tái)數(shù)進(jìn)行控制，在此情況下，第一，PLC需要專業(yè)人員進(jìn)行編程，第二，PID調(diào)節(jié)器不是很好調(diào)整參數(shù)，PID效果總是不盡人意，所以剛開始許多一程設(shè)計(jì)人員都認(rèn)為該系統(tǒng)是莫測(cè)高深，很難掌握，干脆就放棄不用，這也是造成該供水方式前期得不到快速很好發(fā)展的主要原因。 隨后變頻器生產(chǎn)廠家開始解決這些問(wèn)題，把PID調(diào)節(jié)器內(nèi)置到變頻器中，而且很好調(diào)整，很多系統(tǒng)的PI參數(shù)不用做調(diào)整直接使用出廠值就可以得到很好的穩(wěn)定效果，接著就把PLC的功能也通過(guò)各種方式內(nèi)置到變頻器中，有的廠家做成備選件插卡的模式，有的廠家則直接推出供水的專用變頻

6、器型號(hào)，設(shè)計(jì)使用人員只要設(shè)置幾個(gè)簡(jiǎn)單的參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)控制功能。變頻恒壓供水系統(tǒng)示例 眾所周知，水泵消耗功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。即P=Kn3：P 為水泵消耗功率；n 為水泵運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速；K 為比例系數(shù)。而水泵設(shè)計(jì)是按工頻運(yùn)行時(shí)設(shè)計(jì)的，但供水時(shí)除高峰外，大部分時(shí)間流量較小，由于控制系統(tǒng)采用了變頻技術(shù)，因此可以使水泵運(yùn)行的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，最終達(dá)到節(jié)能的目的。實(shí)踐證明，使用變頻設(shè)備可使水泵運(yùn)行平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低20%，從而大大降低能耗，節(jié)能率可達(dá)20%-40%。 泵的組合方式一般采用最為常見的多泵并聯(lián)的供水模式，這樣不但提高供水系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度的靈活性而且供水的可靠性也會(huì)進(jìn)一步得到保障。我們

7、的設(shè)計(jì)思維應(yīng)該是在保證可靠供水的前提下再談節(jié)能問(wèn)題，所以水泵選擇一定要設(shè)有備用泵，同時(shí)考慮到日后維修方便，盡量采用相同型號(hào)的水泵。在變頻器的使用搭配上，采用變頻、工頻混合的配置方式應(yīng)該是較為經(jīng)濟(jì)和實(shí)用。 該供水系統(tǒng)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)

8、算后，輸入給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào)。當(dāng)然，隨著變頻器技術(shù)的快速發(fā)展，后一種辦法更經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。 以上介紹可見，變頻器作為恒壓供水系統(tǒng)中的核心驅(qū)動(dòng)元件，有著十分重要的作用，所以在選擇變頻器的時(shí)候，質(zhì)量和性能就成為選擇變頻器非常重要的條件，目前市場(chǎng)上供水行業(yè)應(yīng)用的主流變頻器為歐美產(chǎn)品，施耐德電氣在工業(yè)領(lǐng)域有著悠久的歷史， 新研發(fā)的ATV61 是風(fēng)機(jī)水泵應(yīng)用的最高端產(chǎn)品。 下面結(jié)合ATV61 變頻器特點(diǎn)來(lái)介紹施耐德變頻器在恒壓供水中的應(yīng)用。 ATV61 是針對(duì)工業(yè)變轉(zhuǎn)矩而于2006 年3 月推出的一款高性能應(yīng)用的變頻器，功率范圍從 0.75KW 直到 800kW；主要應(yīng)用于工業(yè)市場(chǎng)的風(fēng)機(jī)、泵和商用建筑

9、熱力、通風(fēng)、空調(diào)暖通（統(tǒng)稱HVAC）的專門的風(fēng)機(jī)泵類的高端應(yīng)用產(chǎn)品。 n3.1 ATV61 的基本特點(diǎn) (1) 產(chǎn)品開發(fā)用于全球市場(chǎng)，符合主要的標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際規(guī)范； (2) 全中文圖形面板，友好的人機(jī)界面； (3) 操作調(diào)試簡(jiǎn)單，可以采用簡(jiǎn)單配置的“簡(jiǎn)單起動(dòng)”功能，可很好的控制電機(jī)； (4) 集成了大量的專用功能， 以及不同的電機(jī)控制類型，ATV61 主要應(yīng)用在對(duì)節(jié)能要求較高的風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載上，因此ATV61 專門具有節(jié)能控制方式，可以通過(guò)變頻器的內(nèi)部控制（根據(jù)負(fù)載調(diào)整勵(lì)磁電流）來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果； (5) 多種宏配置：包括泵和風(fēng)機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)起/停、一般應(yīng)用、PID 調(diào)節(jié)、網(wǎng)絡(luò)通訊等5 種宏配置； (6)

10、 ATV61 是一個(gè)通訊產(chǎn)品，提供多種協(xié)議的選項(xiàng)，并標(biāo)準(zhǔn)集成 Modbus and CAN open 。 n3.2 ATV61 在恒壓供水領(lǐng)域的特殊功能 (1) ATV61 變頻器標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置PID 調(diào)節(jié)器； 可以直接接受過(guò)程控制中傳感器的反饋信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)程量的自動(dòng)控制。此PID 調(diào)節(jié)功能可以對(duì)預(yù)設(shè)的給定量進(jìn)行手動(dòng)自動(dòng)設(shè)置，誤差求反，對(duì)反饋量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并具有上下限報(bào)警功能； (2) 限制流量功能： 本功能實(shí)現(xiàn)流體的流量限幅，例如在泵的情況下，為實(shí)現(xiàn)需要將變頻器的某一模擬輸入設(shè)定為外部流量傳感器，通過(guò)限制內(nèi)部速度給定實(shí)現(xiàn)流量限制。如果本功能跟PID 調(diào)節(jié)器一起使用，限制的將是PID 調(diào)節(jié)器的輸出

11、； (3) 檢測(cè)過(guò)程欠負(fù)荷： a. 在空泵或沒(méi)有灌滿水的情況下避免泵的運(yùn)行； b. 僅僅當(dāng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的情況下本功能才能有； c. 檢測(cè)水平, 脫扣延時(shí), 以及停車模式均可以編程設(shè)置。 (4) 針對(duì)流量的信息具有休眠喚醒功能： 本功能與 PID 調(diào)節(jié)器結(jié)合使用?？梢跃幊淘O(shè)定變頻器在低速運(yùn)行持續(xù)一段時(shí)間后停止調(diào)節(jié)。當(dāng)誤差或反饋值超過(guò)某編程設(shè)定的水平后調(diào)節(jié)重新啟動(dòng)； (5) 監(jiān)視能耗值功能： 本功能可以顯示：瞬時(shí)輸入功率in kW；累積輸入能耗 kWh；瞬時(shí)輸出功率 in kW；累積輸出能耗 in kWh。通過(guò)在圖形終端上客戶定制可以計(jì)算電能成本 (6) 用傳感器檢測(cè)零流量： 如果過(guò)程使用了流量傳感器

12、 (有或無(wú))： 其輸出可以配置給變頻器的邏輯輸入，在沒(méi)有流量的情況下，變頻器自由停車。故障消失后過(guò)程重新啟動(dòng)； (7) 可以配置專用于恒壓供水的多泵卡： 最多可以用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)五臺(tái)泵，使用此卡可以使ATV61 的功能更加完善：任何流量下系統(tǒng)中均保持恒定的壓力。通過(guò)ATV61 對(duì)泵設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置和診斷。更方便的實(shí)現(xiàn)恒壓供水，同時(shí)，不必再配置軟起來(lái)起動(dòng)輔助泵，為客戶節(jié)省了成本。 3 ATV61 變頻器在恒壓供水中的應(yīng)用 多泵卡VW3A3502 n3.3 ATV61 是一款出色的節(jié)能產(chǎn)品 針對(duì)風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載而設(shè)計(jì)的ATV61 不僅具有傳統(tǒng)的通過(guò)頻率的調(diào)解實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果，還具有自動(dòng)能量?jī)?yōu)化功能，在

13、整個(gè)速度變化范圍內(nèi)，變頻器可以根據(jù)負(fù)載的輕重， 自動(dòng)調(diào)節(jié)V/F 曲線，從而優(yōu)化磁通和激磁電流，達(dá)到最佳節(jié)能的目的。同時(shí)通過(guò)載波頻率的自動(dòng)調(diào)節(jié)也可以達(dá)到節(jié)能的效果。 l節(jié)能分析： 從流體力學(xué)角度去考慮，可將風(fēng)機(jī)、泵等流體機(jī)械看成平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其主軸轉(zhuǎn)速n 與流量Q，壓力P 以及軸功率W近似具有如下關(guān)系： Qn；Pn2；Wn3； 即，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，假設(shè)某水泵的額定轉(zhuǎn)速為n0，閥門全開時(shí)管阻特性為R，壓力為P，出口流量為Q，流量轉(zhuǎn)速壓力的關(guān)系曲線如下圖： l變頻器能根據(jù)水泵負(fù)載變化隨之調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在滿足系統(tǒng)正常工作情況下使泵作出相應(yīng)調(diào)節(jié)，以達(dá)到

14、節(jié)能的目的。 某建筑項(xiàng)目，商業(yè)和住宅共用，M樓層，建筑高度Nm，需設(shè)計(jì)供水系統(tǒng)，保證用水高峰期間，頂樓的用戶能照常用水，并注意節(jié)能和系統(tǒng)成本的最優(yōu)化， 采用變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)此項(xiàng)目。 n 4.1 設(shè)計(jì)思路及元件選擇 在變頻泵系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按以下步驟進(jìn)行： (1) 管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，計(jì)算管網(wǎng)的阻力。 (2) 選擇壓差控制點(diǎn)，不同的壓差控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的設(shè)備初 投資和管網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用， 應(yīng)按技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析進(jìn)行選擇。 (3) 選擇主循環(huán)泵：主循環(huán)泵的選擇考慮兩方面： A：流量要求，應(yīng)能提供管網(wǎng)的全部循環(huán)流量； B：揚(yáng)程要求，應(yīng)滿足熱源到壓差控制點(diǎn)間管網(wǎng)阻力。 (4) 分布泵的選擇，主要考慮滿足其所服務(wù)用戶的

15、阻力和流量。 (5) 變頻器的選擇，在滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求的前提下，按照驅(qū)動(dòng)泵的電機(jī)的功率選擇變頻器的功率，同時(shí)配上多泵卡。n4.2 變頻器恒壓供水系統(tǒng) 4.2.1 變頻器主回路如下圖 4.2.2 變頻器控制回路n4.2.3 運(yùn)行方式：該系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行方式： (1) 手動(dòng)運(yùn)行 按下手動(dòng)按鈕啟動(dòng)或停止水泵，可根據(jù)需要分別控制1#-5#泵的啟停。該方式主要供檢修及變頻器故障時(shí)用。 (2) 自動(dòng)運(yùn)行 合上自動(dòng)開關(guān)后，1#泵電機(jī)通電，變頻器輸出頻率從0Hz 上升，同時(shí)PID 調(diào)節(jié)器接收到自壓力傳感器的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，將調(diào)節(jié)參數(shù)送給變頻器，如壓力不夠，則頻率上升到50Hz，

16、1#泵由變頻切換為工頻，啟動(dòng)2#泵變頻運(yùn)行，變頻器輸出頻率逐漸上升至給定值，加泵依次類推；如用水量減小，則執(zhí)行減泵程序。同時(shí)根據(jù)PID 調(diào)節(jié)器給的調(diào)節(jié)參數(shù)使系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。 減泵過(guò)程；假如這時(shí)5 臺(tái)泵都已投入運(yùn)行，5#泵變頻運(yùn)行降到下限頻率，此時(shí)水壓仍處于上限值，則延時(shí)一段時(shí)間后使5#泵停止，4#轉(zhuǎn)為變頻運(yùn)行，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后水壓仍處于上限值，4#泵運(yùn)行在下限頻率，則延時(shí)一段時(shí)間后使4#泵停止，依此類推。 n4.2.4 故障處理和維護(hù) l(1) 故障報(bào)警 當(dāng)出現(xiàn)缺相、變頻器故障、液位下限、超壓、差壓等情況時(shí)，系統(tǒng)皆能發(fā)出聲響報(bào)警信號(hào)；特別是當(dāng)出現(xiàn)缺相、變頻器故障、液位下限、超壓時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)自動(dòng)停機(jī)

17、，并發(fā)出聲響報(bào)警信號(hào)，通知維修人員前來(lái)維修。此外，變頻器故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)，此時(shí)可切換至手動(dòng)方式保證系統(tǒng)不間斷供水。 l(2) 水泵維護(hù) 為維護(hù)和檢修水泵，要求在系統(tǒng)正常供水狀態(tài)下，在一段時(shí)間間隔內(nèi)使某一臺(tái)水泵停運(yùn)，而此系統(tǒng)配有多泵卡，可檢測(cè)并存儲(chǔ)每臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)間，起動(dòng)時(shí)運(yùn)行時(shí)間最短的泵先運(yùn)行，做到各臺(tái)泵的負(fù)荷率基本一致。 此系統(tǒng)的運(yùn)行，有效地減少泵的頻繁啟停，同時(shí)在實(shí)際管網(wǎng)對(duì)水壓波動(dòng)做出反應(yīng)之前，由變頻器迅速調(diào)節(jié)，使水壓平穩(wěn)過(guò)渡，從而有效的避免了高樓用戶短時(shí)間停水的情況發(fā)生。 以往的變頻恒壓供水系統(tǒng)在水壓高時(shí)，通常是采用停變頻泵，再將變頻器以工頻運(yùn)行方式切換到正在以工頻運(yùn)行的泵上進(jìn)行調(diào)節(jié)。這

18、種切換的方式理論上要比直接切工頻的方式先進(jìn)，但其容易引起泵組的頻繁啟停，從而減少設(shè)備的使用壽命。而在該系統(tǒng)中，直接停工頻泵，同時(shí)由變頻器迅速調(diào)節(jié)，只要參數(shù)設(shè)置合適，即可實(shí)現(xiàn)泵組的無(wú)沖擊切換，使水壓過(guò)渡平穩(wěn)，有效的防止了水壓的大范圍波動(dòng)及水壓太低時(shí)的短時(shí)缺水現(xiàn)象，提高了供水品質(zhì)。 要使系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行，ATV61 變頻器需要對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。涉及到的PID 調(diào)節(jié)參數(shù)在菜單1.7 （應(yīng)用功能）的部分和1.14（多泵卡）中。 5.1 PID 比例增益rPG、積分增益rlG、微分增益rdG 此設(shè)置此是為了確保在運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止因泵的切換和反饋的壓力值突變，引發(fā)系統(tǒng)劇烈震蕩，使系統(tǒng)能平穩(wěn)快速的響應(yīng)外界壓力的變化。各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響見下圖。 5.2 泵起動(dòng)前延時(shí)(pump delay on)和停泵延時(shí)(pump delay off) 此兩個(gè)參數(shù)時(shí)間為必需，以避免瞬時(shí)壓力波動(dòng)的影響，從而防止