谈几种变频供水设备的应用与控制

 

变频供水设备概述

      随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频供水设备已广泛应用于多层住宅小区生活及高层建筑生活消防供水系统。变频调速供水设备一般具有设备投资少，系统运行稳定可靠，占地面积小，节电节水，自动化程度高，操作控制方便等特点。但在实际应用中若选型及控制不当，不但达不到节能目的，反而"费电"。以下结合我们多年来的实践经验，对几种变频供水设备的应用及其控制方法进行介绍，供同行及用户在设计、改造、选型时参考。 

 

1.普通循环软启动变频供水设备

    该类型设备在实际应用中较多，系统由水泵机组、循环软启动变频柜、压力仪表、管路系统等构成。变频柜由变频调速器，PLC(或变频控制器)，低压电器等构成。系统一般选择同型号水泵2～4台，以3台泵为例，系统的工作情况如下：

    平时1台泵变频供水，当1台泵供水不足时，先开的泵转为工频运行，变频柜再软启动第2台泵，若流量还不够，第2台泵转为工频运行，变频柜再软启动第3台泵。若用水量减少，按启泵顺序依次停止工频泵，直到最后1台泵变频恒压供水。

    另外系统具有定时换泵功能，若某台泵连续运行超过设定切换时间(一般设为1~2天)，变频柜可自动停止该泵切换到下一台泵继续变频运行。换泵时间由程序设定，可按要求随时调整。这样可均衡各泵的运行时间，延长整体泵组的寿命。

    为达到更好的节能目的，多功能变频控制器设有双恒压接口，系统可实现双恒压供水功能。

    该系统一般适用于规模较小的多层住宅小区(如300户以内)或其它小规模用水系统，水泵功率一般不超过7.5kW。另外也适用于小流量用水时间很短或用水量变化不大的其它场合，如循环水系统。

2.带小流量泵的循环软启动变频供水设备

    当变频供水系统在小流量或零流量的情况下，比如在夜间用水低谷时，系统内的用水量很小，此时水泵在低流量下运行，会造成水泵效率大大降低，不能达到节能的目的，水泵功率越大用电越多。例如对300～1000户的多层住宅小区或600户左右的小高层住宅楼群(12层以内)的生活用水系统，生活主泵功率一般在15kW左右，系统的零流量频率f0一般为25～35Hz，故在夜间小流量时，采用主泵变频供水效率较低。

     这就涉及供水系统在小流量或零流量时的节电问题，一般可以采取4种方案：①变频主泵+工频辅泵；②变频主泵+工频辅泵+气压罐；③变频主泵+气压罐；④变频主泵+变频辅泵+气压罐［2］。从节能、投资角度看第4种方案更为适宜，该方案即在原变频主泵基础上，再配备1～2台小泵专用在夜间或平时小流量时变频供水，一般选择小泵流量为3～6m3/h，居民区户数越多，流量可适当选择大些。小泵功率一般为1.5～3kW，小泵的扬程按主泵扬程或略低于主泵扬程即可。

    变频柜采用PLC控制，程序采用模块化设计，系统控制流程见图1。平时系统运行于主泵循环软启动变频供水模式，系统用水量减小时，主泵频率逐渐降低，当频率低于小流量频率时，PID调节器发出低频切换信号，延时后，系统自动进入小泵变频供水模式。当用水量增大，小泵流量不能满足系统需要时，PID调节器发出满频信号，延时后，系统自动返回主泵循环软启动变频供水模式。为达到更好的节能效果，系统也可实现双恒压供水功能。

    以郑州某单位住宅小区变频供水系统为例，生活主泵配QDG30?20×3立式多级泵2台，单台Q=30m3/h，H=60m，N=11kW，小泵配QDL4.8-8×6立式多级泵1台，Q=4.8m3/h，H=48m，N=1.5kW。在用水非高峰时，主泵运行小流量频率平均为30Hz，电流为6.5A，采用小泵时小流量频率平均为35Hz，电流为2.5A，按每天小流量运行时间15h计算，每年可节电3800kW·h。

 

3.全流量高效变频供水设备

    对比较大的生活小区和高层建筑的生活用水，若单配主泵机组和小流量泵，因小泵流量QL和主泵流量QM差别较大，当流量调节范围在QL～1/3Qm时，水泵的运行效率仍很低，导致水泵运行不经济，浪费电能。并且流量在大于或接近QL时还会出现频繁的换泵操作。为实现在全流量范围内水泵始终能高效率运行，这就有必要再增加一种中流量水泵，流量可选为1/3Qm～1/2QM。特殊情况下还可增加2种中流量水泵。这样整体水泵流量选择呈阶梯状，从而使得设备在任何流量段运行时均处于水泵的高效率段，更加节能。

    变频柜控制核心由PLC和多功能PID调节仪构成，以三种泵配置为例，系统的控制流程见图2。系统也可实现双恒压供水功能，中泵和小泵变频时低恒压供水，主泵变频时高恒压供水。

 

4.深水井变频供水设备

    目前深水井潜水泵采用变频调速控制的也非常广泛，主要是因为不需再建水塔，设备占地小，建设周期短，水质无二次污染，水泵软启动软停车，故障率低，大修周期延长，寿命提高。但对夜间也要求供水的系统(一般居民生活用水都有要求)，仍存在夜间小流量"费电"问题。一般潜水泵功率较大，小流量频率fL一般在28Hz以上。如30kW的潜水泵，小流量频率按30Hz计算，每天夜间近6h内约有50kW·h电能"浪费"，一年就是18000kW·h!这还未计入白天小流量时的用电。

    为解决小流量耗电问题，可增配1台直径600～1200的囊式气压罐，一般气压罐可直接安装在泵房。根据气压罐的调节容量合理设置小流量频率fL。变频柜控制核心仍为PLC和多功能PID调节仪，当系统用水量变小，运行频率降至小流量频率fL时，系统进入小流量变频稳压状态，同时PLC自动计算潜水泵启动次数，若小时启动次数D≥12次，系统则回到潜水泵变频恒压供水状态。

 

5.生活消防合用变频供水设备

    对多层建筑，《建筑设计防火规范》GBJ16-87第8.1.2条规定"消防给水宜与生产、生活给水管道合用"。但对高层建筑，《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95第7.4.1条规定"室内消防给水系统应与生活、生产给水系统分开独立设置"。而12层以内小高层建筑(特别是住宅楼群)，生活消防压力差别不大，若管材选用适当或消防管路采取防倒流措施，在采用变频设备及电源可靠条件下，建议高规适当放宽要求应允许生活消防合用供水设备。同时有以下优点：

(1)生活消防泵组定时轮换运行，不会因消防泵长期不用或管理不善而使水泵锈死，机组时刻处在工作状态。

(2)生活泵组和消防泵组合用，基本节省一套消防泵组，且便于设备管理和维护。

(3)设备自动化程度高，供水稳定可靠，且水质无二次污染。

(4)水泵软启动软停车，无冲击和超压危害。

    系统可按循环软启动变频设备或带小流量泵的循环软启动变频供水设备选型，主泵流量按生活、消防两者最大的来选择，并留有1台备用泵，扬程一般按消防设计压力选择。另外还应注意的有以下几点：

(1)应设消防接口，如有消防报警系统应设24VDC无源启停接口。

(2)应有消防时确保消防用水的技术措施，如在生活总管上安装电磁阀，消防时关闭生活用水。

(3)应设水位接口，消防低水位报警，并关闭生活用水。

(4)应有双恒压功能，即平时低恒压生活供水，消防时自动转入高恒压消防供水。

(5)消防时应限制退泵操作，以防止压力不稳。

6.消防变频恒压稳压供水设备

    多层建筑消火栓或自动喷水灭火系统采用消防主泵变频供水设备时，可不再设稳压小泵，由主泵变频运行来保压。若消防管网室外部分较大，可增加调节容量100L左右的稳压罐即可。设备的主要功能如下。

6.1 主泵变频稳压功能

    平时无消防时，设备处于变频稳压工作状态，由电接点压力表采集管网水压信号，当管网水压低于稳压下限时，消防泵变频运行，向消防管网补水，当管网水压达到稳压上限时，消防泵软停止。

6.2 自动换泵功能

    消防主泵具有周期轮换稳压运行功能，换泵周期由变频柜程序设定，一般设定为24~48h。若设备检测到稳压主泵故障时，立即切换到另一台主泵稳压运行，并报警显示。

6.3 自动巡检功能

    设备具有定期强制自动巡检功能或随时手动巡检功能，以防水泵长期不运转而"锈死"。巡检周期和单泵巡检运行时间可调。若水泵故障，设备可自动报警并记忆。

6.4 自动消防恒压供水

    设备接到消防信号，立即进入消防主泵恒压供水状态。变频柜具有循环软启动功能，若一台泵故障或流量不够，可自动变频启动另一台泵。消防信号解除，立即恢复至平时消防高稳压供水状态。

6.5 智能消防功能

    因火灾或管网漏水严重，在无消防信号情况下，设备自动进入消防高恒压供水状态并报警，防止真正火灾发生时水泵频繁启停，水压时高时低不稳，影响灭火用水。

    该类消防设备安装相对集中，配置简易，系统自动化程度高，减少了平时管理要分散保养、维护、检查的工作量。郑州某市场采用了2套消防变频恒压稳压供水设备，均未设稳压小泵和高位水箱，从一年多的运行情况看，使用效果非常理想。

 

7.结语

    (1)生活供水系统采用变频供水设备可改善供水水质，且自动化程度高，又是国家节能推广技术，但若选择使用不当，又会造成电能"浪费"，达不到预期目标。因此建议设计人员和用户在方案确定之前应根据用水性质、用水特点、用水规模、设备投资等因素综合考虑，在保证可靠供水前提下，充分发挥变频调速的节能潜力。

    (2)消防变频供水设备自动化程度高，系统响应迅速，实战性强，同时设备分布相对集中，配置简单，便于管理和维护，建议用户应根据自身工程特点合理选用。