淺談幾種變頻加壓供水設備的應用與控制方法
淺談幾種變頻加壓供水設備的應用與控制方法
摘要： 隨著變頻調速技術的發展和人們對生活飲用水品質要求的不斷提高，變頻加壓供水設備已廣泛應用于多層住宅小區生活及高層建筑生活消防供水系統。變頻加壓供水設備一般具有設備投資少，系統運行穩定可靠，占地面積小，節電節水，自動化程度高，操作控制方便等特點。但在實際應用中若選型及控制不當，不但達不到節能目的，反而"費電"。以下結合我們多年來的實踐經驗，對幾種變頻供水設備的應用及其控制方法進行介紹，供同行及用戶在設計、改造、選型時參考。
隨著變頻調速技術的發展和人們對生活飲用水品質要求的不斷提高，變頻加壓供水設備已廣泛應用于多層住宅小區生活及高層建筑生活消防供水系統。變頻調速供水設備一般具有設備投資少，系統運行穩定可靠，占地面積小，節電節水，自動化程度高，操作控制方便等特點。但在實際應用中若選型及控制不當，不但達不到節能目的，反而"費電"。以下結合我們多年來的實踐經驗，對幾種變頻供水設備的應用及其控制方法進行介紹，供同行及用戶在設計、改造、選型時參考。
1.普通循環軟啟動變頻加壓供水設備
該類型設備在實際應用中較多，系統由水泵機組、循環軟啟動變頻柜、壓力儀表、管路系統等構成。變頻柜由變頻調速器，PLC(或變頻控制器)，低壓電器等構成。系統一般選擇同型號水泵2～4臺，以3臺泵為例，系統的工作情況如下：
平時1臺泵變頻供水，當1臺泵供水不足時，先開的泵轉為工頻運行，變頻柜再軟啟動第2臺泵，若流量還不夠，第2臺泵轉為工頻運行，變頻柜再軟啟動第3臺泵。若用水量減少，按啟泵順序依次停止工頻泵，直到末后1臺泵變頻恒壓供水。
另外系統具有定時換泵功能，若某臺泵連續運行超過設定切換時間(一般設為1~2天)，變頻柜可自動停止該泵切換到下一臺泵繼續變頻運行。換泵時間由程序設定，可按要求隨時調整。這樣可均衡各泵的運行時間，延長整體泵組的壽命。
為達到 好的節能目的，多功能變頻控制器設有雙恒壓接口，系統可實現雙恒壓供水功能。
該系統一般適用于規模較小的多層住宅小區(如300戶以內)或其它小規模用水系統，水泵功率一般不超過7.5kW。另外也適用于小流量用水時間很短或用水量變化不大的其它場合，如循環水系統。
2.帶小流量泵的循環軟啟動變頻加壓供水設備
當變頻供水系統在小流量或零流量的情況下，比如在夜間用水低谷時，系統內的用水量很小，此時水泵在低流量下運行，會造成水泵效率大大降低，不能達到節能的目的，水泵功率越大用電越多。例如對300～1000戶的多層住宅小區或600戶左右的小高層住宅樓群(12層以內)的生活用水系統，生活主泵功率一般在15kW左右，系統的零流量頻率f0一般為25～35Hz，故在夜間小流量時，采用主泵變頻供水效率較低。
這就涉及供水系統在小流量或零流量時的節電問題，一般可以采取4種方案：①變頻主泵+工頻輔泵；②變頻主泵+工頻輔泵+氣壓罐；③變頻主泵+氣壓罐；④變頻主泵+變頻輔泵+氣壓罐［2］。從節能、投資角度看第4種方案更為適宜，該方案即在原變頻主泵基礎上，再配備1～2臺小泵專用在夜間或平時小流量時變頻供水，一般選擇小泵流量為3～6m3/h，居民區戶數越多，流量可適當選擇大些。小泵功率一般為1.5～3kW，小泵的揚程按主泵揚程或略低于主泵揚程即可。
變頻柜采用PLC控制，程序采用模塊化設計，系統控制流程見圖1。平時系統運行于主泵循環軟啟動變頻供水模式，系統用水量減小時，主泵頻率逐漸降低，當頻率低于小流量頻率時，PID調節器發出低頻切換信號，延，時后，系統自動進入小泵變頻供水模式。當用水量增大，小泵流量不能滿足系統需要時，PID調節器發出滿頻信號，延，時后，系統自動返回主泵循環軟啟動變頻供水模式。為達到 好的節能效果，系統也可實現雙恒壓供水功能。
以鄭州某單位住宅小區變頻供水系統為例，生活主泵配QDG30?20×3立式多級泵2臺，單臺Q=30m3/h，H=60m，N=11kW，小泵配QDL4.8-8×6立式多級泵1臺，Q=4.8m3/h，H=48m，N=1.5kW。在用水非高峰時，主泵運行小流量頻率平均為30Hz，電流為6.安，采用小泵時小流量頻率平均為35Hz，電流為2.5安，按每天小流量運行時間15h計算，每年可節電3800kW·h。
3.全流量高效變頻加壓供水設備
對比較大的生活小區和高層建筑的生活用水，若單配主泵機組和小流量泵，因小泵流量QL和主泵流量QM差別較大，當流量調節范圍在QL～1/3Qm時，水泵的運行效率仍很低，導致水泵運行不經濟，浪費電能。并且流量在大于或接近QL時還會出現頻繁的換泵操作。為實現在全流量范圍內水泵始終能高效率運行，這就有必，要再增加一種中流量水泵，流量可選為1/3Qm～1/2QM。特殊情況下還可增加2種中流量水泵。這樣整體水泵流量選擇呈階梯狀，從而使得設備在任何流量段運行時均處于水泵的高效率段，更加節能。
變頻柜控制核心由PLC和多功能PID調節儀構成，以三種泵配置為例，系統的控制流程見圖2。系統也可實現雙恒壓供水功能，中泵和小泵變頻時低恒壓供水，主泵變頻時高恒壓供水。
4.深水井變頻加壓供水設備
目前深水井潛水泵采用變頻調速控制的也非常廣泛，主要是因為不需再建水塔，設備占地小，建設周期短，水質無二次污染，水泵軟啟動軟停車，故障率低，大修周期延長，壽命提高。但對夜間也要求供水的系統(一般居民生活用水都有要求)，仍存在夜間小流量"費電"問題。一般潛水泵功率較大，小流量頻率fL一般在28Hz以上。如30kW的潛水泵，小流量頻率按30Hz計算，每天夜間近6h內約有50kW·h電能"浪費"，一年就是18000kW·h!這還未計入白天小流量時的用電。
為解決小流量耗電問題，可增配1臺直徑600～1200的囊式氣壓罐，一般氣壓罐可直接安裝在泵房。根據氣壓罐的調節容量合理設置小流量頻率fL。變頻柜控制核心仍為PLC和多功能PID調節儀，當系統用水量變小，運行頻率降至小流量頻率fL時，系統進入小流量變頻穩壓狀態，同時PLC自動計算潛水泵啟動次數，若小時啟動次數D≥12次，系統則回到潛水泵變頻恒壓供水狀態。系統的程序見圖3。
5.生活消防合用變頻加壓供水設備
對多層建筑，《建筑設計防火規范》GBJ16-87第8.1.2條規定"消防給水宜與生產、生活給水管道合用"。但對高層建筑，《高層民用建筑設計防火規范》GB50045-95第7.4.1條規定"室內消防給水系統應與生活、生產給水系統分開獨立設置"。而12層以內小高層建筑(特別是住宅樓群)，生活消防壓力差別不大，若管材選用適當或消防管路采取防倒流措施，在采用變頻設備及電源可靠條件下，建議高規適當放寬要求應允許生活消防合用供水設備。同時有以下優點：
(1)生活消防泵組定時輪換運行，不會因消防泵長期不用或管理不善而使水泵銹死，機組時刻處在工作狀態。
(2)生活泵組和消防泵組合用，基本節省一套消防泵組，且便于設備管理和維護。
(3)設備自動化程度高，供水穩定可靠，且水質無二次污染。
(4)水泵軟啟動軟停車，無沖擊和超壓危害。
系統可按循環軟啟動變頻設備或帶小流量泵的循環軟啟動變頻供水設備選型，主泵流量按生活、消防兩者較大的來選擇，并留有1臺備用泵，揚程一般按消防設計壓力選擇。另外還應注意的有以下幾點：
(1)應設消防接口，如有消防報警系統應設24VDC無源啟停接口。
(2)應有消防時確保消防用水的技術措施，如在生活總管上安裝電磁閥，消防時關閉生活用水。
(3)應設水位接口，消防低水位報警，并關閉生活用水。
(4)應有雙恒壓功能，即平時低恒壓生活供水，消防時自動轉入高恒壓消防供水。
(5)消防時應限制退泵操作，以防止壓力不穩。
6.消防變頻加壓供水設備
多層建筑消火栓或自動噴水滅火系統采用消防主泵變頻供水設備時，可不再設穩壓小泵，由主泵變頻運行來保壓。若消防管網室外部分較大，可增加調節容量100L左右的穩壓罐即可。設備的主要功能如下。
6.1 主泵變頻穩壓功能
平時無消防時，設備處于變頻穩壓工作狀態，由電接點壓力表采集管網水壓信號，當管網水壓低于穩壓下限時，消防泵變頻運行，向消防管網補水，當管網水壓達到穩壓上限時，消防泵軟停止。
6.2 自動換泵功能
消防主泵具有周期輪換穩壓運行功能，換泵周期由變頻柜程序設定，一般設定為24~48h。若設備檢測到穩壓主泵故障時，立即切換到另一臺主泵穩壓運行，并報警顯示。
6.3 自動巡檢功能
設備具有定期強制自動巡檢功能或隨時手動巡檢功能，以防水泵長期不運轉而"銹死"。巡檢周期和單泵巡檢運行時間可調。若水泵故障，設備可自動報警并記憶。
6.4 自動消防恒壓供水
設備接到消防信號，立即進入消防主泵恒壓供水狀態。變頻柜具有循環軟啟動功能，若一臺泵故障或流量不夠，可自動變頻啟動另一臺泵。消防信號解除，立即恢復至平時消防高穩壓供水狀態。
6.5 智能消防功能
因火災或管網漏水嚴重，在無消防信號情況下，設備自動進入消防高恒壓供水狀態并報警，防止真正火災發生時水泵頻繁啟停，水壓時高時低不穩，影響滅火用水。
該類消防設備安裝相對集中，配置簡易，系統自動化程度高，減少了平時管理要分散保養、維護、檢查的工作量。鄭州某市場采用了2套消防變頻恒壓穩壓供水設備，均未設穩壓小泵和高位水箱，從一年多的運行情況看，使用效果非常理想。
7.結語
(1)生活供水系統采用變頻加壓供水設備可改善供水水質，且自動化程度高，又是國家節能推廣技術，但若選擇使用不當，又會造成電能"浪費"，達不到預期目標。因此建議設計人員和用戶在方案確定之前應根據用水性質、用水特點、用水規模、設備投資等因素綜合考慮，在保證可靠供水前提下，充分發揮變頻調速的節能潛力。
(2)消防變頻供水設備自動化程度高，系統響應迅速，實戰性強，同時設備分布相對集中，配置簡單，便于管理和維護，建議用戶應根據自身工程特點合理選用。
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