常低溫恒溫恒壓供水系統的研制

張海強 黃克欽 歐陽榮開

（順德出入境檢驗檢疫局 廣東順德 508303）

常低溫恒溫恒壓供水系統的研制

張海強 黃克欽 歐陽榮開

（順德出入境檢驗檢疫局 廣東順德 508303）

通過研究分析國內外燃氣熱水器標準中的測試用水要求，研制了一套常低溫恒溫恒壓供水系統，可有效控制水溫、水壓及其波動，保證檢測結果準確度。

燃氣熱水器；常低溫；恒溫恒壓；供水系統

1 引言

目前國際上燃氣熱水器檢測無通用標準可參考執行，各個重要國家地區的燃氣熱水器標準結構不同，技術要求差異較大。中國、歐盟、美國、日本等重點國家地區均制訂了自己的技術標準或技術法規[1-6]，在測試實驗室的技術要求上，供水系統的要求較嚴格，既要能提供常溫和低溫水，還要能控制供水壓力，并控制其波動性。國內外標準均有明確的試驗用水條件要求，但標準中并未明確供水系統的結構。本文通過綜合分析國內外燃氣熱水器安全標準的相關技術要求，研制一種適用于多個國內外燃氣熱水器安全標準的常低溫恒溫恒壓供水系統。

2 總體設計方案

本常低溫恒溫恒壓供水系統的設計目標主要有：

（1）供水水溫5℃～35℃，供水壓力0.05～0.5MPa，連續可調；

（2）出水溫度波動 ±0.5℃/min，出水壓力波動 ±2.5%壓力設定值；

（3）提供多種水位容量選擇；

（4）可實現常溫水100L/min流量下的不間斷供水；

（5）同時具備近端控制和遠程控制交互控制功能。

3 整體結構部分

本項目研制的常低溫恒溫恒壓供水系統主要用于為各種熱水器測試提供恒定水溫、恒定壓力的試驗用水；配備有2個常溫水箱和1個低溫冷水箱；兩個常溫水箱功能相同，可交替為常溫試驗供水，均設置有25%、50%、75%、100%箱水的運行功能，其中1個常溫水箱可以為低溫冷水箱，進行初步制冷；試驗用常溫水由自來水加熱或制冷后提供，5℃低溫冷水由制冷機在常溫水基礎上進一步制冷獲取，也可直接在自來水基礎上制冷獲取；符合試驗溫度的水通過高壓離心水泵壓入實驗室內供水管道，再通過每個試驗工位的水減壓閥調節至試驗用水壓力，供給試樣試驗，試驗后用水不再回收。

圖1 主體結構示意圖

圖2 水路管路系統圖

供水系統硬件部分主要包括：斷路器、相序保護器、接觸器、繼電器、固態繼電器三相、電磁閥、開關電源、可編程控制器、擴展模塊、AD模塊、DA模塊、溫度模塊、變頻器、人機操作界面、離心水泵、不銹鋼常溫水箱、常溫水冷水機組、冷卻水塔、壓力表、液位開關、電力調整器、不銹鋼電熱管、5℃低溫水冷水機組、不銹鋼低溫水箱等。軟件部分主要包括可編程控制器PLC的程序設計和觸摸屏人機操作界面的程序設計。

供水系統設計為手動控制和自動控制相結合的操作方式。手動控制用于調節管路閥門、設置參數、監控界面工作數值、啟動停止等；自動控制用于完成整個試驗用水的恒溫處理和恒壓供水，例如按邏輯順序通斷氣路電磁閥、水路電磁閥、按設置參數自動循環水進行冷卻或加熱等操作。

供水系統的常溫水部分布置在1樓房間內，可輸出10℃～35℃試驗用水，系統中2個不銹鋼儲水箱（單個容積2m3）、8條加熱管、2套冷水機組、電氣箱、近端控制面板等封裝成一個長方體箱體（箱體尺寸3800mm×1750mm×2100mm）固定在槽鋼底架上，通過水路管路系統與箱體外臥式循環水泵、立式供水泵、冷卻塔等相連接，冷卻塔布置在實驗大樓室外地面上。供水系統低溫水部分布置在3樓實驗室內，可輸出5℃～10℃試驗用水，包括1套低溫冷水機組和1個不銹鋼儲水箱（容積0.3m3）。遠程控制面板固定在3樓實驗室檢測臺旁邊，方便操作人員操作使用并實時監控，控制面板主要由觸摸屏、啟動、停止開關等構成，觸摸屏內集成了水溫、水壓、水量容積等參數指標以及工作、停止、異常等指示信息。主箱體結構見圖1。

在水路系統設計方面，整個水路系統主要分為常溫水系統和5℃低溫水系統，均包括進水管路、循環水管路、供水管路、排水管路幾種管路。常溫水系統主要由不銹鋼水箱、水泵、制冷冷水機組、恒溫冷水機組、冷卻水塔、電磁閥、液位開關、熱電偶、壓力傳感器等構成，自來水向儲水箱注水至設定水位后，液位開關產生信號自動停止注水并顯示水位已達到，在遠程設置好所需水溫和水壓后，即可進行恒溫啟動操作。系統通過智能判斷所設定水溫與實際水溫大小關系后自動進行制冷或加熱工作，同時循環水泵啟動，加快水箱內水循環，使水溫逐漸趨向均勻。待水溫達到設定水溫后，水溫傳感器產生信號停止制冷，冷水機組工作切換至恒溫冷水機組工作，同時提示可進行供水啟動，在立式離心水泵加壓達到設定水壓后，水壓傳感器產生信號打開供水電磁閥，常溫水即供至實驗室內。低溫水系統主要由不銹鋼水箱、水泵、冷水機組、電磁閥、液位開關、熱電偶等構成，工作原理同上。常溫水冷水機組采用了1臺功率25HP和1臺功率12.5HP的水冷開放式工業冷水機，共配備3臺全封閉渦旋壓縮機，并應用了壓縮機多機聯用技術。供水系統的水路管路系統設計見圖2。

圖3 電氣原理圖（供水）

圖4 電氣原理圖（制冷）

圖5 電氣原理圖（加熱）

圖6 電氣原理圖（低溫部分）

出水管道壓力監控使用了壓力變送器，量程：0～1.6MPa，精度：0.5%F.S，輸出：4～20mA，供電DC24V。其輸出電流信號為可編程控制器PLC的模擬量輸入模塊的輸入信號，經過PLC的邏輯判斷，再由PLC的模擬量輸出模塊傳送至變頻器，從而控制變頻器輸出頻率。驅動供水水泵的變頻器工作頻率的控制方式：變頻器由壓力傳感器控制供水水泵工作頻率，從而實現“壓力→頻率”的閉環控制。

恒溫恒壓供水系統的控溫部件采用了電加熱管和水冷式冷水機組。儲水箱內水溫的控溫部件采用了PT100鉑熱電阻溫度傳感器，測量精度高，性能穩定，其信號作為PLC溫度擴展模塊的輸入。通過PID控制，經過調節比例參數P、積分時間I、微分時間D的各個參數的數值，調節電熱管的加熱功率，實現穩定的出水溫度快速調節和穩定控制。

4 電氣控制部分

本恒溫恒壓供水系統采用PLC控制，觸摸屏顯示和設定。系統具備壓縮機過熱、過流、超壓保護，可調式超溫報警，電機過熱保護，防干燒保護，缺水保護，溢流保護、電源相序和缺相保護、漏電保護、過載及短路保護等安全保護措施。水箱及管路均采取了完善的保溫措施，可保證工作期間出水口處水溫波動不大于±0.5℃/ min。控制系統主要采用了斷路器、相序保護器、接觸器、PLC、開關電源、電機、熱電偶傳感器、繼電器、電力調整器、接觸器、電磁閥、壓力變送器、液位開關、變頻器、觸摸屏等控制部件，內置有控制程序可按使用要求進行自動制冷或加熱操作，穩定可靠、精度較高。本恒溫恒壓供水系統電氣原理圖見圖3～圖7。

本項目采用了繼電器輸出型的可編程控制器PLC，可擴展為帶模擬量、通信等功能的系統。其輸出回路采取機械隔離措施，在輸出繼電器的線圈和觸點之間，PLC內部回路和外部的負載回路之間采取了電氣上的隔離，并于與各公共端部分之間也相互隔離。該設計的特點是采用繼電器型的可編程控制器PLC，采取了隔離措施，從而保證了系統工作狀態下的可靠性，此外在電熱器的電氣控制上采用了電力調整器，可增加使用壽命。

5 總結

上述設計制造的常低溫恒溫恒壓供水系統經過試用，達到了預期設計目標，其通過自動控制可視化界面操作，方便易用、性能穩定、適用性好，可滿足多個國內外標準的供水要求，并提高測試效率，具備良好的行業應用前景。

圖7 電氣原理圖（PLC部分）

[1]GB 25034-2010 燃氣采暖熱水爐 [S].

[2]EN 26:2006 Gas-fired instantaneous water heaters for the production of domestic hot water, fitted with atmospheric burners [S].

[3]EN 483:1999+A4:2007 Gas-fired central heating boilers Type C boilers of nominal heat input not exceeding 70 kW [S].

[4]ANSI Z21.10.3-2004 Gas Water Heaters - Volume III - Storage Water Heaters with Input Ratings Above 75,000 Btu per Hour, Circulating and Instantaneous-Third Edition [S].

[5]CJ/T 3075.1-1998 燃氣燃燒器具實驗室-技術通則 [S].

[6]GB 20665-2006 家用燃氣快速熱水器和燃氣采暖熱水爐 能效限定值及能效等級 [S].

The development of constant temperature and constant pressure water supply system

ZHANG Haiqiang HUANG Keqin OUYANG Rongkai
（Shunde Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau Shunde 528303）

A set of constant temperature and constant pressure water supply system are developed by analyzing the testing water requirements for gas-fired water heaters of domestic and foreign standards，which can effectively control the water temperature, water pressure and its fluctuation, and ensure the accuracy of the test result.

Gas-fired water heaters; Normal-low temperature; Constant temperature and constant pressure; Water supply system