變頻恒壓供水簡介

1、工業(yè)之家工業(yè)之家主講：雷強YY：115820變頻恒壓供水簡介變頻恒壓供水簡介 采用變頻調(diào)速技術(shù)的恒壓供水設備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點，使我國供水行業(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)實現(xiàn)水泵無級調(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)。自來水廠通過城市輸、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)正常用水是沒有問題的。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)濟效益大，更得到市場的青睞。而這類建筑的供水

2、就涉及到供水難的問題。 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 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。一般需要設計有一座地下水池，通過兩臺水泵（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。 水塔l (2) 水池水泵（恒壓變頻）管網(wǎng)系統(tǒng)用水點 此方式也是集中供水。對于多幢住宅的建筑小區(qū)，目前較多采用此種供水方案。一般設計有地下生活水池一座，集中恒壓變頻供水，不設屋頂水箱。最不利的用水點是頂層住宅。主水泵一般有3-4臺， 3用一備自動切換，輔助泵為一小流量泵，夜間用水量小時主泵自動切換到

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)濟和社會效益比較 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。這是一個很簡單的供水模式，它最主要的問題就在于水泵工作時間的控制上面了，剛開始時，專門安排專職人員開關(guān)水泵，沒水了開泵，水滿出來了就關(guān)泵。這樣做不僅麻煩，還浪費了人力，而且高位水塔的清洗也成問題。 第二種方式采用變頻恒壓供水是較為理想和先進的。首先恒壓變頻供水保證出水壓力不變，根據(jù)用水量大小進行變頻供水，既節(jié)約電能，又保證水泵軟啟動（對電網(wǎng)電壓沖擊不大），延長了水泵壽命。各臺水泵自動輪換使用，即最先

4、投入使用的水泵最早退出運行，這樣，各臺水泵壽命均等。而且，一旦水泵出現(xiàn)故障，該系統(tǒng)能自動跳過故障泵運行。還可減少屋頂水箱的二次污染和保證頂層的供水壓力（用熱水器壓力也沒問題）。 90年代初，變頻器作為一種新興的電子產(chǎn)品進入中國大陸，生產(chǎn)廠家和工程應用人員就對它發(fā)生了濃厚的興趣，它能對電機進行無級調(diào)速而且不改變電機固有的機械特性，在水泵上面的應用得到了最完美的體現(xiàn)。再加上平衡的軟啟動特性，人們開辟了一個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，被各個建筑開發(fā)商所采用 剛開始變頻器只擁有簡單的調(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）對水泵使用的臺數(shù)進行控制，在此情況下，第一，PLC需要專業(yè)人員進行編程，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計人員都認為該系統(tǒng)是莫測高深，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，設計使用人員只要設置幾個簡單的參數(shù)就可以實現(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 為水泵運行時的轉(zhuǎn)速；K 為比例系數(shù)。而水泵設計是按工頻運行時設計的，但供水時除高峰外，大部分時間流量較小，由于控制系統(tǒng)采用了變頻技術(shù)，因此可以使水泵運行的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，最終達到節(jié)能的目的。實踐證明，使用變頻設備可使水泵運行平均轉(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)運行調(diào)度的靈活性而且供水的可靠性也會進一步得到保障。我們

7、的設計思維應該是在保證可靠供水的前提下再談節(jié)能問題，所以水泵選擇一定要設有備用泵，同時考慮到日后維修方便，盡量采用相同型號的水泵。在變頻器的使用搭配上，采用變頻、工頻混合的配置方式應該是較為經(jīng)濟和實用。 該供水系統(tǒng)變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源，實現(xiàn)電機的無級調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。傳感器的任務是檢測管網(wǎng)水壓。壓力設定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的水壓期望值。 壓力設定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部PID 控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉(zhuǎn)速控制信號。還有一種辦法是將壓力設定信號和壓力反饋信號送入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)部進行運

8、算后，輸入給變頻器一個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號。當然，隨著變頻器技術(shù)的快速發(fā)展，后一種辦法更經(jīng)濟、實用。 以上介紹可見，變頻器作為恒壓供水系統(tǒng)中的核心驅(qū)動元件，有著十分重要的作用，所以在選擇變頻器的時候，質(zhì)量和性能就成為選擇變頻器非常重要的條件，目前市場上供水行業(yè)應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 是風機水泵應用的最高端產(chǎn)品。 下面結(jié)合ATV61 變頻器特點來介紹施耐德變頻器在恒壓供水中的應用。 ATV61 是針對工業(yè)變轉(zhuǎn)矩而于2006 年3 月推出的一款高性能應用的變頻器，功率范圍從 0.75KW 直到 800kW；主要應用于工業(yè)市場的風機、泵和商用建筑

9、熱力、通風、空調(diào)暖通（統(tǒng)稱HVAC）的專門的風機泵類的高端應用產(chǎn)品。 n3.1 ATV61 的基本特點 (1) 產(chǎn)品開發(fā)用于全球市場，符合主要的標準和國際規(guī)范； (2) 全中文圖形面板，友好的人機界面； (3) 操作調(diào)試簡單，可以采用簡單配置的“簡單起動”功能，可很好的控制電機； (4) 集成了大量的專用功能， 以及不同的電機控制類型，ATV61 主要應用在對節(jié)能要求較高的風機泵類負載上，因此ATV61 專門具有節(jié)能控制方式，可以通過變頻器的內(nèi)部控制（根據(jù)負載調(diào)整勵磁電流）來實現(xiàn)節(jié)能的效果； (5) 多種宏配置：包括泵和風機、標準起/停、一般應用、PID 調(diào)節(jié)、網(wǎng)絡通訊等5 種宏配置； (6)

10、 ATV61 是一個通訊產(chǎn)品，提供多種協(xié)議的選項，并標準集成 Modbus and CAN open 。 n3.2 ATV61 在恒壓供水領(lǐng)域的特殊功能 (1) ATV61 變頻器標準內(nèi)置PID 調(diào)節(jié)器； 可以直接接受過程控制中傳感器的反饋信號，從而實現(xiàn)過程量的自動控制。此PID 調(diào)節(jié)功能可以對預設的給定量進行手動自動設置，誤差求反，對反饋量進行監(jiān)測，并具有上下限報警功能； (2) 限制流量功能： 本功能實現(xiàn)流體的流量限幅，例如在泵的情況下，為實現(xiàn)需要將變頻器的某一模擬輸入設定為外部流量傳感器，通過限制內(nèi)部速度給定實現(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) 檢測過程欠負荷： a. 在空泵或沒有灌滿水的情況下避免泵的運行； b. 僅僅當穩(wěn)態(tài)運行的情況下本功能才能有； c. 檢測水平, 脫扣延時, 以及停車模式均可以編程設置。 (4) 針對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定變頻器在低速運行持續(xù)一段時間后停止調(diào)節(jié)。當誤差或反饋值超過某編程設定的水平后調(diào)節(jié)重新啟動； (5) 監(jiān)視能耗值功能： 本功能可以顯示：瞬時輸入功率in kW；累積輸入能耗 kWh；瞬時輸出功率 in kW；累積輸出能耗 in kWh。通過在圖形終端上客戶定制可以計算電能成本 (6) 用傳感器檢測零流量： 如果過程使用了流量傳感器

12、 (有或無)： 其輸出可以配置給變頻器的邏輯輸入，在沒有流量的情況下，變頻器自由停車。故障消失后過程重新啟動； (7) 可以配置專用于恒壓供水的多泵卡： 最多可以用一臺變頻器拖動五臺泵，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ATV61 對泵設備進行簡單的設置和診斷。更方便的實現(xiàn)恒壓供水，同時，不必再配置軟起來起動輔助泵，為客戶節(jié)省了成本。 3 ATV61 變頻器在恒壓供水中的應用 多泵卡VW3A3502 n3.3 ATV61 是一款出色的節(jié)能產(chǎn)品 針對風機泵類負載而設計的ATV61 不僅具有傳統(tǒng)的通過頻率的調(diào)解實現(xiàn)節(jié)能的效果，還具有自動能量優(yōu)化功能，在

13、整個速度變化范圍內(nèi)，變頻器可以根據(jù)負載的輕重， 自動調(diào)節(jié)V/F 曲線，從而優(yōu)化磁通和激磁電流，達到最佳節(jié)能的目的。同時通過載波頻率的自動調(diào)節(jié)也可以達到節(jié)能的效果。 l節(jié)能分析： 從流體力學角度去考慮，可將風機、泵等流體機械看成平方轉(zhuǎn)矩負載，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，假設某水泵的額定轉(zhuǎn)速為n0，閥門全開時管阻特性為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)水泵負載變化隨之調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，在滿足系統(tǒng)正常工作情況下使泵作出相應調(diào)節(jié)，以達到

14、節(jié)能的目的。 某建筑項目，商業(yè)和住宅共用，M樓層，建筑高度Nm，需設計供水系統(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)設計此項目。 n 4.1 設計思路及元件選擇 在變頻泵系統(tǒng)中，設計時應按以下步驟進行： (1) 管網(wǎng)系統(tǒng)設計，計算管網(wǎng)的阻力。 (2) 選擇壓差控制點，不同的壓差控制點對應不同的設備初 投資和管網(wǎng)運行費用， 應按技術(shù)經(jīng)濟分析進行選擇。 (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，應能提供管網(wǎng)的全部循環(huán)流量； B：揚程要求，應滿足熱源到壓差控制點間管網(wǎng)阻力。 (4) 分布泵的選擇，主要考慮滿足其所服務用戶的

15、阻力和流量。 (5) 變頻器的選擇，在滿足系統(tǒng)運行要求的前提下，按照驅(qū)動泵的電機的功率選擇變頻器的功率，同時配上多泵卡。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 運行方式：該系統(tǒng)有手動和自動兩種運行方式： (1) 手動運行 按下手動按鈕啟動或停止水泵，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用。 (2) 自動運行 合上自動開關(guān)后，1#泵電機通電，變頻器輸出頻率從0Hz 上升，同時PID 調(diào)節(jié)器接收到自壓力傳感器的標準信號，經(jīng)運算與給定壓力參數(shù)進行比較，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2#泵變頻運行，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)運行。 減泵過程；假如這時5 臺泵都已投入運行，5#泵變頻運行降到下限頻率，此時水壓仍處于上限值，則延時一段時間后使5#泵停止，4#轉(zhuǎn)為變頻運行，經(jīng)過一段時間后水壓仍處于上限值，4#泵運行在下限頻率，則延時一段時間后使4#泵停止，依此類推。 n4.2.4 故障處理和維護 l(1) 故障報警 當出現(xiàn)缺相、變頻器故障、液位下限、超壓、差壓等情況時，系統(tǒng)皆能發(fā)出聲響報警信號；特別是當出現(xiàn)缺相、變頻器故障、液位下限、超壓時，系統(tǒng)還會自動停機

17、，并發(fā)出聲響報警信號，通知維修人員前來維修。此外，變頻器故障時，系統(tǒng)自動停機，此時可切換至手動方式保證系統(tǒng)不間斷供水。 l(2) 水泵維護 為維護和檢修水泵，要求在系統(tǒng)正常供水狀態(tài)下，在一段時間間隔內(nèi)使某一臺水泵停運，而此系統(tǒng)配有多泵卡，可檢測并存儲每臺泵運行時間，起動時運行時間最短的泵先運行，做到各臺泵的負荷率基本一致。 此系統(tǒng)的運行，有效地減少泵的頻繁啟停，同時在實際管網(wǎng)對水壓波動做出反應之前，由變頻器迅速調(diào)節(jié)，使水壓平穩(wěn)過渡，從而有效的避免了高樓用戶短時間停水的情況發(fā)生。 以往的變頻恒壓供水系統(tǒng)在水壓高時，通常是采用停變頻泵，再將變頻器以工頻運行方式切換到正在以工頻運行的泵上進行調(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，但其容易引起泵組的頻繁啟停，從而減少設備的使用壽命。而在該系統(tǒng)中，直接停工頻泵，同時由變頻器迅速調(diào)節(jié)，只要參數(shù)設置合適，即可實現(xiàn)泵組的無沖擊切換，使水壓過渡平穩(wěn)，有效的防止了水壓的大范圍波動及水壓太低時的短時缺水現(xiàn)象，提高了供水品質(zhì)。 要使系統(tǒng)穩(wěn)定的運行，ATV61 變頻器需要對某些參數(shù)進行調(diào)整。涉及到的PID 調(diào)節(jié)參數(shù)在菜單1.7 （應用功能）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 此設置此是為了確保在運行過程中系統(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)快速的響應外界壓力的變化。各參數(shù)對系統(tǒng)的影響見下圖。 5.2 泵起動前延時(pump delay on)和停泵延時(pump delay off) 此兩個參數(shù)時間為必需，以避免瞬時壓力波動的影響，從而防止