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技術(shù)文章
離心泵進(jìn)行變頻恒壓供水
閱讀：1210 發(fā)布時(shí)間：2011-12-29
一、變頻調(diào)速的特點(diǎn)及分析
用戶用水量一般是動(dòng)態(tài)的，因此供水不足或供水過剩的情況時(shí)有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時(shí)供水也多，用水少時(shí)供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。
恒壓供水系統(tǒng)對(duì)于用戶是非常重要的。在生產(chǎn)生活供水時(shí)，若自來水供水因故壓力不足或短時(shí)斷水，可能影響生活質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響生存安全，如發(fā)生火災(zāi)時(shí)，若供水壓力不足或無(wú)水供應(yīng)，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。所以，用水區(qū)域采用正藝恒壓供水系統(tǒng)，能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
隨著電力技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的日臻完善，以變頻調(diào)速為核心的智能供水控制系統(tǒng)取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設(shè)備，起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長(zhǎng)泵和閥門等東西的使用壽命；可以消除起動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)。其穩(wěn)定安全的運(yùn)行性能、簡(jiǎn)單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，zui終達(dá)到率的運(yùn)行目的。
二、恒壓供水的變頻應(yīng)用方式
通常在同一路供水系統(tǒng)中，設(shè)置多臺(tái)常用泵，供水量大時(shí)多臺(tái)泵全開，供水量小時(shí)開一臺(tái)或兩臺(tái)。在采用變頻調(diào)速進(jìn)行恒壓供水時(shí)，就用兩種方式，其一是所有水泵配用一臺(tái)變頻器；其二是每臺(tái)水泵配用一臺(tái)變頻器。后種方法根據(jù)壓力反饋信號(hào)，通過PID運(yùn)算自動(dòng)調(diào)整變頻器輸出頻率，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，zui終達(dá)到管網(wǎng)恒壓的目的，就一個(gè)閉環(huán)回路，較簡(jiǎn)單，但成本高。前種方法成本低，性能不比后種差，但控制程序較復(fù)雜，是未來的發(fā)展方向，比如上海正藝信息科技的恒壓供水控制系統(tǒng)就可實(shí)現(xiàn)一變頻器控制任意數(shù)馬達(dá)的功能。下面講到的原理都是一變頻器拖動(dòng)多馬達(dá)的系統(tǒng)。
三、PID控制原理
根據(jù)反饋原理：要想維持一個(gè)物理量不變或基本不變，就應(yīng)該引這個(gè)物理量與恒值比較，形成閉環(huán)系統(tǒng)。我們要想保持水壓的恒定，因此就必須引入水壓反饋值與給定值比較，從而形成閉環(huán)系統(tǒng)。但被控制的系統(tǒng)特點(diǎn)是非線性、大慣性的系統(tǒng)，現(xiàn)在控制和PID相結(jié)合的方法，在壓力波動(dòng)較大時(shí)使用模糊控制，以加快響應(yīng)速度；在壓力范圍較小時(shí)采用PID來保持靜態(tài)精度。這通過PLC加智能儀表可時(shí)現(xiàn)該算法，同時(shí)對(duì)PLC的編程來實(shí)現(xiàn)泵的工頻與變頻之間的切換。實(shí)踐證明，使用這種方法是可行的，而且造價(jià)也不高。
要想維持供水網(wǎng)的壓力不變，根據(jù)反饋定理在管網(wǎng)系統(tǒng)的管理上安裝了壓力變送器作為反饋元件，由于供水系統(tǒng)管道長(zhǎng)、管徑大，管網(wǎng)的充壓都較慢，故系統(tǒng)是一個(gè)大滯后系統(tǒng)，不易直接采用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，而采用PLC參與控制的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用。
四、變頻控制原理
用變頻調(diào)速來實(shí)現(xiàn)恒壓供水，與用調(diào)節(jié)閥門來實(shí)現(xiàn)恒壓供水相比，節(jié)能效果十分顯著（可根據(jù)具體情況計(jì)算出來）。其優(yōu)點(diǎn)是：
1、起動(dòng)平衡，起動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊；
2、由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長(zhǎng)泵和閥門等的使用壽命；
3、可以消除起動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)；
一般地說，當(dāng)由一臺(tái)變頻器控制一臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)，只需使變頻器的配用電動(dòng)機(jī)容量與實(shí)際電動(dòng)機(jī)容量相符即可。當(dāng)一臺(tái)變頻器同時(shí)控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)，原則上變頻器的配用電動(dòng)機(jī)容量應(yīng)等于兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的容量之和。但如在高峰負(fù)載時(shí)的用水量比兩臺(tái)水泵全速供水量相差很多時(shí)，上海正藝信息科技的工程師建議，可考慮適當(dāng)減小變頻器的容量，但應(yīng)注意留有足夠的容量。
雖然水泵在低速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的工作電流較小。但是，當(dāng)用戶的用水量變化頻繁時(shí)，電動(dòng)機(jī)將處于頻繁的升、降速狀態(tài)，而升、降速的電流可略超過電動(dòng)機(jī)的額定電流，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過熱。因此，電動(dòng)機(jī)的熱保護(hù)是必需的。對(duì)于這種由于頻繁地升、降速而積累起來的溫升，變頻器內(nèi)的電子熱保護(hù)功能是難以起到保護(hù)作用的，所以應(yīng)采用熱繼電器來進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的熱保護(hù)。
在主要功能預(yù)置方面，zui高頻率應(yīng)以電動(dòng)機(jī)的額定頻率為變頻器的zui高工作頻率。升、降速時(shí)間在采用PID調(diào)節(jié)器的情況下，升、降速時(shí)間應(yīng)盡量設(shè)定得短一些，以免影響由PID調(diào)節(jié)器決定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。如變頻器本身具有PID調(diào)節(jié)功能時(shí)，只要在預(yù)置時(shí)設(shè)定PID功能有效，則所設(shè)定的升速和降速時(shí)間將自動(dòng)失效。
五、恒壓供水系統(tǒng)特點(diǎn)
1、節(jié)電：優(yōu)化的節(jié)能控制軟件，使水泵實(shí)現(xiàn)zui大限度地節(jié)能運(yùn)行；
2、節(jié)水：根據(jù)實(shí)際用水情況設(shè)定管網(wǎng)壓力，自動(dòng)控制水泵出水量，減少了水的跑、漏現(xiàn)象；
3、運(yùn)行可靠：由變頻器實(shí)現(xiàn)泵的軟起動(dòng)，使水泵實(shí)現(xiàn)由工頻到變頻的無(wú)沖擊切換，防止管網(wǎng)沖擊、避免管網(wǎng)壓力超限，管道破裂。
4、聯(lián)網(wǎng)功能：采用全中文工控組態(tài)軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)站點(diǎn)，如電機(jī)的電壓、電流、工作頻率、管網(wǎng)壓力及流量等。并且能夠累積每個(gè)站點(diǎn)的用電量，累積每臺(tái)泵的出水量，同時(shí)提供各種形式的打印報(bào)表，以便分析統(tǒng)計(jì)。
5、控制靈活：分段供水，定時(shí)供水，手動(dòng)選擇工作方式。
6、自我保護(hù)功能完善：如某臺(tái)泵出現(xiàn)故障，主動(dòng)向上位機(jī)發(fā)出報(bào)警信息，同時(shí)啟動(dòng)備用泵，以維持供水平衡。萬(wàn)一自控系統(tǒng)出現(xiàn)故障，用戶可以直接操作手動(dòng)系統(tǒng)，以保護(hù)供水。
六、系統(tǒng)應(yīng)用范圍
1、自來水廠、加壓泵房
2、居民生活區(qū)、賓館及其它建筑
3、企業(yè)生產(chǎn)用水
4、鍋爐循環(huán)水系統(tǒng)
5、農(nóng)田灌溉系統(tǒng)
同其它供水方式相比較，正藝變頻恒壓供水系統(tǒng)，除了具有顯著的節(jié)能效果外，還有以下顯而易見的優(yōu)勢(shì)：
1、恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電動(dòng)機(jī)電源頻率，而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力，比靠調(diào)節(jié)閥門的控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。
2、由于變量泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長(zhǎng)泵和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命。
3、水泵電動(dòng)機(jī)采用軟啟動(dòng)方式，按設(shè)定的加速時(shí)間加速，避免電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，對(duì)電網(wǎng)電壓造成波動(dòng)的影響，同時(shí)也避免了電動(dòng)機(jī)突然加速造成泵系統(tǒng)的喘振。*消除水錘現(xiàn)象。
4、實(shí)現(xiàn)恒壓自動(dòng)控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人力。
用戶用水量一般是動(dòng)態(tài)的，因此供水不足或供水過剩的情況時(shí)有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時(shí)供水也多，用水少時(shí)供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。
恒壓供水系統(tǒng)對(duì)于用戶是非常重要的。在生產(chǎn)生活供水時(shí)，若自來水供水因故壓力不足或短時(shí)斷水，可能影響生活質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響生存安全，如發(fā)生火災(zāi)時(shí)，若供水壓力不足或無(wú)水供應(yīng)，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。所以，用水區(qū)域采用正藝恒壓供水系統(tǒng)，能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
隨著電力技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的日臻完善，以變頻調(diào)速為核心的智能供水控制系統(tǒng)取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設(shè)備，起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長(zhǎng)泵和閥門等東西的使用壽命；可以消除起動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)。其穩(wěn)定安全的運(yùn)行性能、簡(jiǎn)單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，zui終達(dá)到率的運(yùn)行目的。
二、恒壓供水的變頻應(yīng)用方式
通常在同一路供水系統(tǒng)中，設(shè)置多臺(tái)常用泵，供水量大時(shí)多臺(tái)泵全開，供水量小時(shí)開一臺(tái)或兩臺(tái)。在采用變頻調(diào)速進(jìn)行恒壓供水時(shí)，就用兩種方式，其一是所有水泵配用一臺(tái)變頻器；其二是每臺(tái)水泵配用一臺(tái)變頻器。后種方法根據(jù)壓力反饋信號(hào)，通過PID運(yùn)算自動(dòng)調(diào)整變頻器輸出頻率，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，zui終達(dá)到管網(wǎng)恒壓的目的，就一個(gè)閉環(huán)回路，較簡(jiǎn)單，但成本高。前種方法成本低，性能不比后種差，但控制程序較復(fù)雜，是未來的發(fā)展方向，比如上海正藝信息科技的恒壓供水控制系統(tǒng)就可實(shí)現(xiàn)一變頻器控制任意數(shù)馬達(dá)的功能。下面講到的原理都是一變頻器拖動(dòng)多馬達(dá)的系統(tǒng)。
三、PID控制原理
根據(jù)反饋原理：要想維持一個(gè)物理量不變或基本不變，就應(yīng)該引這個(gè)物理量與恒值比較，形成閉環(huán)系統(tǒng)。我們要想保持水壓的恒定，因此就必須引入水壓反饋值與給定值比較，從而形成閉環(huán)系統(tǒng)。但被控制的系統(tǒng)特點(diǎn)是非線性、大慣性的系統(tǒng)，現(xiàn)在控制和PID相結(jié)合的方法，在壓力波動(dòng)較大時(shí)使用模糊控制，以加快響應(yīng)速度；在壓力范圍較小時(shí)采用PID來保持靜態(tài)精度。這通過PLC加智能儀表可時(shí)現(xiàn)該算法，同時(shí)對(duì)PLC的編程來實(shí)現(xiàn)泵的工頻與變頻之間的切換。實(shí)踐證明，使用這種方法是可行的，而且造價(jià)也不高。
要想維持供水網(wǎng)的壓力不變，根據(jù)反饋定理在管網(wǎng)系統(tǒng)的管理上安裝了壓力變送器作為反饋元件，由于供水系統(tǒng)管道長(zhǎng)、管徑大，管網(wǎng)的充壓都較慢，故系統(tǒng)是一個(gè)大滯后系統(tǒng)，不易直接采用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，而采用PLC參與控制的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用。
四、變頻控制原理
用變頻調(diào)速來實(shí)現(xiàn)恒壓供水，與用調(diào)節(jié)閥門來實(shí)現(xiàn)恒壓供水相比，節(jié)能效果十分顯著（可根據(jù)具體情況計(jì)算出來）。其優(yōu)點(diǎn)是：
1、起動(dòng)平衡，起動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊；
2、由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長(zhǎng)泵和閥門等的使用壽命；
3、可以消除起動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)；
一般地說，當(dāng)由一臺(tái)變頻器控制一臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)，只需使變頻器的配用電動(dòng)機(jī)容量與實(shí)際電動(dòng)機(jī)容量相符即可。當(dāng)一臺(tái)變頻器同時(shí)控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)，原則上變頻器的配用電動(dòng)機(jī)容量應(yīng)等于兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的容量之和。但如在高峰負(fù)載時(shí)的用水量比兩臺(tái)水泵全速供水量相差很多時(shí)，上海正藝信息科技的工程師建議，可考慮適當(dāng)減小變頻器的容量，但應(yīng)注意留有足夠的容量。
雖然水泵在低速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的工作電流較小。但是，當(dāng)用戶的用水量變化頻繁時(shí)，電動(dòng)機(jī)將處于頻繁的升、降速狀態(tài)，而升、降速的電流可略超過電動(dòng)機(jī)的額定電流，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過熱。因此，電動(dòng)機(jī)的熱保護(hù)是必需的。對(duì)于這種由于頻繁地升、降速而積累起來的溫升，變頻器內(nèi)的電子熱保護(hù)功能是難以起到保護(hù)作用的，所以應(yīng)采用熱繼電器來進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的熱保護(hù)。
在主要功能預(yù)置方面，zui高頻率應(yīng)以電動(dòng)機(jī)的額定頻率為變頻器的zui高工作頻率。升、降速時(shí)間在采用PID調(diào)節(jié)器的情況下，升、降速時(shí)間應(yīng)盡量設(shè)定得短一些，以免影響由PID調(diào)節(jié)器決定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。如變頻器本身具有PID調(diào)節(jié)功能時(shí)，只要在預(yù)置時(shí)設(shè)定PID功能有效，則所設(shè)定的升速和降速時(shí)間將自動(dòng)失效。
五、恒壓供水系統(tǒng)特點(diǎn)
1、節(jié)電：優(yōu)化的節(jié)能控制軟件，使水泵實(shí)現(xiàn)zui大限度地節(jié)能運(yùn)行；
2、節(jié)水：根據(jù)實(shí)際用水情況設(shè)定管網(wǎng)壓力，自動(dòng)控制水泵出水量，減少了水的跑、漏現(xiàn)象；
3、運(yùn)行可靠：由變頻器實(shí)現(xiàn)泵的軟起動(dòng)，使水泵實(shí)現(xiàn)由工頻到變頻的無(wú)沖擊切換，防止管網(wǎng)沖擊、避免管網(wǎng)壓力超限，管道破裂。
4、聯(lián)網(wǎng)功能：采用全中文工控組態(tài)軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)站點(diǎn)，如電機(jī)的電壓、電流、工作頻率、管網(wǎng)壓力及流量等。并且能夠累積每個(gè)站點(diǎn)的用電量，累積每臺(tái)泵的出水量，同時(shí)提供各種形式的打印報(bào)表，以便分析統(tǒng)計(jì)。
5、控制靈活：分段供水，定時(shí)供水，手動(dòng)選擇工作方式。
6、自我保護(hù)功能完善：如某臺(tái)泵出現(xiàn)故障，主動(dòng)向上位機(jī)發(fā)出報(bào)警信息，同時(shí)啟動(dòng)備用泵，以維持供水平衡。萬(wàn)一自控系統(tǒng)出現(xiàn)故障，用戶可以直接操作手動(dòng)系統(tǒng)，以保護(hù)供水。
六、系統(tǒng)應(yīng)用范圍
1、自來水廠、加壓泵房
2、居民生活區(qū)、賓館及其它建筑
3、企業(yè)生產(chǎn)用水
4、鍋爐循環(huán)水系統(tǒng)
5、農(nóng)田灌溉系統(tǒng)
同其它供水方式相比較，正藝變頻恒壓供水系統(tǒng)，除了具有顯著的節(jié)能效果外，還有以下顯而易見的優(yōu)勢(shì)：
1、恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電動(dòng)機(jī)電源頻率，而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力，比靠調(diào)節(jié)閥門的控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。
2、由于變量泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長(zhǎng)泵和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命。
3、水泵電動(dòng)機(jī)采用軟啟動(dòng)方式，按設(shè)定的加速時(shí)間加速，避免電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，對(duì)電網(wǎng)電壓造成波動(dòng)的影響，同時(shí)也避免了電動(dòng)機(jī)突然加速造成泵系統(tǒng)的喘振。*消除水錘現(xiàn)象。
4、實(shí)現(xiàn)恒壓自動(dòng)控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人力。