西门子变频器在变频恒压供水系统中的智能节能化应用

 

1.引言

    长期以来传统的区域、楼宇供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天面水池来满足用户对供水压力的要求。在这种供水系统中加压泵通常是用最不利用水点的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。由于小区用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。

    变频调速技术在给水泵站的应用，成功地解决了能耗和污染的两大难题。在实际运行中小区变频恒压供水技术比传统的加压供水系统还有水压稳定、维护运行成本低等明显优势。

2.变频恒压供水系统的基本原理

    变频恒压供水控制系统通过测到的管网压力，经变频器的内置PID调节器运算后，调节输出频率，实现管网的恒压供水。变频器的频率超限信号（一般可作为管网压力极限信号）可适时通知PLC进行变频泵逻辑切换。为防止水锤现象的产生，泵的启停将联动其出口阀门。

    变频恒压供水系统作原理。假设整个系统由三台水泵，一台变频器（带内置PID调节器以及简易可编程控制器的功能）和一个压力变送器及若干辅助部件构成。各部分功能如下：安装于供水管道上的压力变送器将管网压力转换成1—5伏的电信号；变频调速器用于调节水泵转速以调节流量；PLC用于逻辑切换。

    此外，上述系统还配备了外围辅助电路，以保障自动控制系统出现故障时可通过人工调节方式维持系统运行，保证连续生产。

    由水泵－管道供水原理可知，调节供水流量，原则上有二种方法

    一是节流调节，开大供水阀，流量上升；关小供水阀，流量下降。

    二是调速调节，水泵转速升高，供水流量增加；转速下降，流量降低，对于用水流量经常变化的场合（例如生活用水），采用调速调节流量，具有优良的节能效果。

 

2.变频调速恒压供水的两种工作模式

    （1）多泵并联变频恒压变量供水的工作模式：当用水流量小于一台泵在工频恒压条件下的流量，由一台变频泵调速恒压供水；当用水流量增大，变频泵的转速自动上升；当变频泵的转速上升到工频转速，为用水流量进一步增大，由变频供水控制器控制，自动启动一台工频泵投入，该工频泵提供的流量是恒定的（工频转速恒压下的流量），其余各并联工频泵按相同的原理投入。

    在多泵并联变频恒压变量的供水情况下，当用水流量下降，变频调速泵的转速下降（变频器供电频率下降）；当频率下降到零流量的时候，变频供水控制器发出一个指令，自动关闭一台工频泵使之超出并联供水。为了减少工频泵自动投入或超出时的冲击（水力的或电流的冲击）。在投入时，变频泵的转速自动下降，然后慢慢上升以满足恒压供水的要求。在超出时，变频泵的转速应自动上升，然后慢慢下降以满足恒压供水的要求。上述频率自动上升，下降由供水变频控制器控制。

    （2）恒压变量循环状启动并先开先停的工作模式：在这种供水模式中，当供水流量少于变频泵在恒压工频下的流量时，由变频泵自动调速供水，当用水流量增大，变频泵的转速升高。当变频泵的转速升高到工频转速，由变频供水控制器控制把该台水泵切换到由工频电网直接供电（不通过变频器供电）。变频器则另外启动一台并联泵投入工作。随用水流量增大，其余各并联泵均按上述相同的方式软启动投入。这就是循环软启动投入方式。

    变频恒压供水系统采用一电位器设定压力（也可采用面板内部设定压力），采用一个压力传感器（反馈为4~20mA）检测管网中压力，压力传感器将信号送入变频器PID回路，PID回路处理之后，送出一个水量增加或减少信号，控制马达转速。如在一定延时时间内，压力还是不足或过大，则通过变频器作工频/变频切换起动另一台水泵，使实际管网压力与设定压力相一致。随着用水量的减少，变频器自动减少输出频率或切除水泵，达到了节能的目的。

 

3.变频恒压供水系统的控制方式

    变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压，压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输出给变频器一个转速调节信号，如图2中虚线所示。

 

4.变频恒压供水系统的构成

    变频恒压供水系统主要由水池、变频控制柜、压力传感器、离心泵、触摸屏显示器等组成。变频控制柜由断路器、变频调速器、接触器、中间继电器、PLC等组成。

    供水系统选用原则

    (1)．蓄水池容量应大于每小时最大供水量。

    (2)．水泵扬程应大于实际供水高度。

    (3)．水泵流量总和应大于实际最大供水量。

    (4)．变频控制柜选型：

    可根据供水量和供水高度确定水泵型号及台数，然后对控制柜进行选型。

 

5.结论

变频恒压供水系统的特点：

（1）全自动，无人操作

    变频恒压供水系统会自动根据用户用水量的大小，自动调整水泵转速、自行决定加减泵的时间台数以及消防巡检的工作程序等，都无需人工干预、人工操作自动完成。

（2）基建投资少，水源无污染，无需防冻处理

    变频恒压供水系统紧凑，节省建筑面积60~70%，节约建筑资金（相对水塔）可达到80~90%。因恒压供水是将源水直接送到最终用户，中间无蓄水环节，解决了水塔、水箱供水中的二次污染问题，严寒冬季也无需再象高位水箱那样做防冻处理。

（3）节水节电效果明显

    变频恒压供水系统如果不采用变频控制时，水泵只能在工频电源的驱动下连续运转。当用水量下降管中压力上升时只能通过泄压阀将多余的压力放掉，这样造成了很大的能源浪费。采用变频控制后，可以通过调节水泵的转速来控制管中压力，这样就达到了节能的目的。

    本变频恒压供水系统节约用水可达15~25%；由于采用变频调速控制，使电机水泵一直工作在高效区，加上系统采取的一系列节能措施可使整个供水系统的节电率高达20~50%。

（4）保护功能完善，实现不间断供水

    变频恒压供水系统在设计时充分考虑了潜水电泵、变频器等的使用性能，具有多种保护功能如：缺相、欠压、过压、过流、过热、过载、不平衡、电机止推磨损、缺水等多种保护功能，同时系统的故障自诊断功能，方便了用户排查故障，故障电话自动拔号功能，真正实现了泵房无人职守运行，系统还设有手动、半自动、全自动三种工作方式，确保了供水的连续性。

（5）调试检修简便，显示直观明了

    变频恒压供水系统采用最新的IPM模块变频器及智能型可编程控器，运用模糊压力控制等先进技术，使系统调试维护检修变得简单方便。系统的电压、电流、反馈压力，变频器的输出频率、电流、电机转速等运行参数直接显示在柜体面板上，直观明了维护方便。

（6）设置灵活、功能齐全

    通过PLC编程设计灵活配置系统功能，可增加定时巡检、日周定时开关机、多压力设定、变量变压供水等多种特殊功能，以满足不同用户的特殊要求。

    可与各种接口的上位机联网，实现系统的微机远程监控。

    同时还可根据用户需要构成其它闭环控制系统，如恒液位、恒流量、比例控制等多种控制系统。

 

变频恒压供水系统的应用：

    （1）各类型自来水系统，井用潜水电泵恒压供水系统。

    （2）高层建筑及住宅小区的生活用水；

    （3）工矿企业用水，对生产流程要求恒压变量的供水系统，如循环冷却用水、空调制冷、锅炉采暖系统的稳压供水、游泳池循环用水；

    （4）油田管道、油库、泵站、油港恒压输油系统及其它输液系统；

    （5）农村自来水、农业排灌和建设施工用水、园林喷洒、水景和音乐喷泉系统。