談幾種變頻供水設備的應用與控制
談幾種變頻供水設備的應用與控制
變頻供水設備概述
隨著變頻調(diào)速技術的發(fā)展和人們對生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻供水設備已廣泛應用于多層住宅小區(qū)生活及高層建筑生活消防供水系統(tǒng)。變頻調(diào)速供水設備一般具有設備投資少，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，占地面積小，節(jié)電節(jié)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(jié)能目的，反而"費電"。以下結合我們多年來的實踐經(jīng)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(huán)軟啟動變頻供水設備
該類型設備在實際應用中較多，系統(tǒng)由水泵機組、循環(huán)軟啟動變頻柜、壓力儀表、管路系統(tǒng)等構成。變頻柜由變頻調(diào)速器，PLC(或變頻控制器)，低壓電器等構成。系統(tǒng)一般選擇同型號水泵2～4臺，以3臺泵為例，系統(tǒng)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，直到最后1臺泵變頻恒壓供水。
另外系統(tǒng)具有定時換泵功能，若某臺泵連續(xù)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(xù)變頻運行。換泵時間由程序設定，可按要求隨時調(diào)整。這樣可均衡各泵的運行時間，延長整體泵組的壽命。
為達到更好的節(jié)能目的，多功能變頻控制器設有雙恒壓接口，系統(tǒng)可實現(xiàn)雙恒壓供水功能。
該系統(tǒng)一般適用于規(guī)模較小的多層住宅小區(qū)(如300戶以內(nèi))或其它小規(guī)模用水系統(tǒng)，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(huán)水系統(tǒng)。
2.帶小流量泵的循環(huán)軟啟動變頻供水設備
當變頻供水系統(tǒng)在小流量或零流量的情況下，比如在夜間用水低谷時，系統(tǒng)內(nèi)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(jié)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(qū)或600戶左右的小高層住宅樓群(12層以內(nèi))的生活用水系統(tǒng)，生活主泵功率一般在15kW左右，系統(tǒng)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(tǒng)在小流量或零流量時的節(jié)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(jié)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(qū)戶數(shù)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(tǒng)控制流程見圖1。平時系統(tǒng)運行于主泵循環(huán)軟啟動變頻供水模式，系統(tǒng)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(diào)節(jié)器發(fā)出低頻切換信號，延時后，系統(tǒng)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(tǒng)需要時，PID調(diào)節(jié)器發(fā)出滿頻信號，延時后，系統(tǒng)自動返回主泵循環(huán)軟啟動變頻供水模式。為達到更好的節(jié)能效果，系統(tǒng)也可實現(xiàn)雙恒壓供水功能。
以鄭州某單位住宅小區(qū)變頻供水系統(tǒng)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6.5A，采用小泵時小流量頻率平均為35Hz，電流為2.5A，按每天小流量運行時間15h計算，每年可節(jié)電3800kW·h。
3.全流量高效變頻供水設備
對比較大的生活小區(qū)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(diào)節(jié)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(jīng)濟，浪費電能。并且流量在大于或接近QL時還會出現(xiàn)頻繁的換泵操作。為實現(xiàn)在全流量范圍內(nèi)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(jié)能。
變頻柜控制核心由PLC和多功能PID調(diào)節(jié)儀構成，以三種泵配置為例，系統(tǒng)的控制流程見圖2。系統(tǒng)也可實現(xiàn)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.深水井變頻供水設備
目前深水井潛水泵采用變頻調(diào)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(zhì)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(tǒng)(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(nèi)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(jù)氣壓罐的調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)儀，當系統(tǒng)用水量變小，運行頻率降至小流量頻率fL時，系統(tǒng)進入小流量變頻穩(wěn)壓狀態(tài)，同時PLC自動計算潛水泵啟動次數(shù)，若小時啟動次數(shù)D≥12次，系統(tǒng)則回到潛水泵變頻恒壓供水狀態(tài)。
5.生活消防合用變頻供水設備
對多層建筑，《建筑設計防火規(guī)范》GBJ16-87第8.1.2條規(guī)定"消防給水宜與生產(chǎn)、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(guī)范》GB50045-95第7.4.1條規(guī)定"室內(nèi)消防給水系統(tǒng)應與生活、生產(chǎn)給水系統(tǒng)分開獨立設置"。而12層以內(nèi)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(guī)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(yōu)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(tài)。
(2)生活泵組和消防泵組合用，基本節(jié)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(wěn)定可靠，且水質(zhì)無二次污染。
(4)水泵軟啟動軟停車，無沖擊和超壓危害。
系統(tǒng)可按循環(huán)軟啟動變頻設備或帶小流量泵的循環(huán)軟啟動變頻供水設備選型，主泵流量按生活、消防兩者最大的來選擇，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(tǒng)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(wěn)。
6.消防變頻恒壓穩(wěn)壓供水設備
多層建筑消火栓或自動噴水滅火系統(tǒng)采用消防主泵變頻供水設備時，可不再設穩(wěn)壓小泵，由主泵變頻運行來保壓。若消防管網(wǎng)室外部分較大，可增加調(diào)節(jié)容量100L左右的穩(wěn)壓罐即可。設備的主要功能如下。
6.1 主泵變頻穩(wěn)壓功能
平時無消防時，設備處于變頻穩(wěn)壓工作狀態(tài)，由電接點壓力表采集管網(wǎng)水壓信號，當管網(wǎng)水壓低于穩(wěn)壓下限時，消防泵變頻運行，向消防管網(wǎng)補水，當管網(wǎng)水壓達到穩(wěn)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(wěn)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(wěn)壓主泵故障時，立即切換到另一臺主泵穩(wěn)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(diào)。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(tài)。變頻柜具有循環(huán)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(wěn)壓供水狀態(tài)。
6.5 智能消防功能
因火災或管網(wǎng)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(tài)并報警，防止真正火災發(fā)生時水泵頻繁啟停，水壓時高時低不穩(wěn)，影響滅火用水。
該類消防設備安裝相對集中，配置簡易，系統(tǒng)自動化程度高，減少了平時管理要分散保養(yǎng)、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(wěn)壓供水設備，均未設穩(wěn)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(tǒng)采用變頻供水設備可改善供水水質(zhì)，且自動化程度高，又是國家節(jié)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(jù)用水性質(zhì)、用水特點、用水規(guī)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(fā)揮變頻調(diào)速的節(jié)能潛力。
(2)消防變頻供水設備自動化程度高，系統(tǒng)響應迅速，實戰(zhàn)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(jù)自身工程特點合理選用。
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