變頻恒壓供水控制方案比選及控制原理

王相峰 / 蔣佃剛(. 上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 0009； . 中國建筑設計院有限公司，北京 00044)

變頻恒壓供水控制方案比選及控制原理

王相峰1/ 蔣佃剛2
(1. 上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092； 2. 中國建筑設計院有限公司，北京 100044)

以某酒店變頻恒壓供水系統為例，對其控制方案進行了比較，并就變頻水泵的控制原理做簡要介紹。

變頻水泵 恒壓 控制原理 變頻器 數字集成全變頻

1 項目概況

該項目為安徽黃山某五星級酒店，共26層，屬一類高層。1～4層為裙房，是酒店娛樂配套服務區域，5～26層為客房區，共有各類客房465間。生活用水采用變頻泵分區恒壓供水，共設有5套變頻供水泵組(均為兩用一備，共15臺泵)。

2 傳統做法及存在的問題

在變頻生活泵組供配電設計中，因為變頻泵組的控制柜一般均由水泵廠家配套提供，電氣設計師不需要探究控制柜的具體配置、控制原理以及是否能滿足用戶供水安全的要求。

圖1 單變頻控制方案接線圖

以往變頻生活泵組的控制方案普遍采用如圖1所示的單變頻控制方案(方案一)，絕大部分住宅小區均是這樣配置。在方案一中，采用1臺變頻裝置控制3臺生活水泵，既能滿足供水壓力和流量的要求，又節約投資。

圖2是恒壓變頻供水系統中，各種工況下水泵的運行曲線。曲線Ⅰ為工頻泵運行的Q―H曲線，曲線Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ為變頻泵運行的Q―H曲線，分別對應于水泵在F1、F2、F3頻率時的運行特性。Q—H曲線不止一條，而是一簇曲線，分別對應不同的頻率。圖2中曲線Ⅴ是管網流量為Q2時，工頻泵、變頻泵并聯運行時的Q―H曲線，是工頻泵運行曲線與某一頻率下的變頻泵運行曲線的合成；曲線Ⅵ為管網特性曲線。Q1為一臺工頻泵運行時的流量，A為工頻運行工況點；Q3為變頻泵運行時的流量，C為變頻泵F2頻率下運行工況點。

圖2 恒壓變頻供水系統水泵運行曲線

當管網中供水流量

在變頻恒壓供水系統中，水泵通常有2種工作模式：一是變頻泵固定方式，二是變頻循環啟動工作方式。在變頻泵固定方式中，各并聯水泵是按水流量的需求運行，而工頻水泵則是自動投入或退出。因為變頻泵隨用水流量變化會始終處于運行狀態，因此變頻泵的運行時間最長，各泵磨損程度差異很大。為了均衡各水泵的運行時間，系統也可以采用變頻泵定時輪換運行方式，即當某一臺變頻泵運行一定時間后，由變頻控制器控制變頻泵自動輪換運行。

圖1所示的單變頻控制方案投資較低，控制邏輯比較簡單，但是供水的可靠性較差。根據變頻器工作原理，運行中如果在變頻器的輸出端進行切換，會使變頻器中的某些電子器件受到大電流沖擊，影響其使用壽命，需要變頻循環軟啟動運行或變頻泵自動輪換時，在變頻器的輸出端進行切換，且為了保護變頻器，切換要在變頻器停止運行的情況下進行。另外，在變頻器故障或水泵輪換運行的瞬間，供水系統水流會短時中斷，但基本不影響對用戶的供水。

3 方案比選

從酒店運營角度來看，高檔酒店中客房及廚房生活用水的中斷屬于大事故。為進一步提高酒店生活用水的可靠性，變頻供水設備廠家在項目設計過程中，通過與酒店管理公司多次協商，提出了3泵3變頻器的方案(方案二)，即全變頻控制方案。水泵控制采用智能化水泵專用變頻器，并采用數字集成技術，將變頻調速與PID控制技術集成一體。在全變頻控制恒壓供水設備中，各臺變頻器之間通過CAN總線互相通信。變頻器根據系統流量變化，自動調節水泵轉速，并自動完成各泵的功率均衡，并可以通過外設自動控制顯示屏完成人機對話，比PLC控制更具靈活性，此方案供水的可靠性高。酒店為水泵組設有5組變頻器，共15臺生活泵，需要設置15臺專用變頻器，但最終由于專用變頻器價格較高，投資遠超預算，此方案被否決。經過多輪經濟技術比較，最終選擇了另一方案——雙變頻控制方式(方案三)。圖3～4為雙變頻控制方案的一次、二次接線圖。

圖3 雙變頻控制方案一次接線圖

圖4 雙變頻控制方案二次接線圖

變頻供水泵組采用PLC控制，水泵的運行特性如圖2，在此不再贅述。在方案三中，采用兩臺變頻器分別控制一臺變頻泵，互為備用。當一套變頻給水裝置故障時，另一套可以正常運行；當工頻泵故障時，可以使兩套變頻水泵中的一套運行在工頻狀態，提高酒店供水的可靠性。

如圖3～4所示，雙變頻控制給水系統運行工況：當水量

PLC控制器的X1～X4輸入端口分別與2臺變頻器相連，輸入變頻器的相關運行狀態。X5～X10輸入端口為3臺泵的運行狀態輸入口，X11、X12、X18、X19為供水系統管網狀態輸入端口，PLC通過這4個端口可以實時掌握管網狀態，并通過通訊模塊顯示在顯示屏上。PLC的Y6～Y10為設備狀態信號輸出端口，通過燈光顯示水泵及變頻器的狀態，設備狀態信息同時顯示在顯示屏上。

通過總結酒店的運營經驗，酒店供水系統大約20%的時間運行在高峰期，這段時間需要工頻泵和變頻泵并聯運行，其余時間1臺變頻泵運行即可滿足用水要求。通過設定，PLC可以累積水泵運行時間，并定時輪換2臺變頻水泵工作。這樣，每臺變頻泵全天約運行50%的時間，工頻泵運行20%的時間。這種控制方式在不頻繁切換導致變頻器受損的前提下，能較好地解決水泵均衡磨損問題。變頻器選用ATV61型，帶有自動睡眠功能，當水泵運行在圖2中曲線Ⅳ與H軸的交點時，此時管網水流量為0，變頻器可以自動停泵，以利于節能。

4 結束語

比較這三種方案，單純從技術方面來說，方案二的全變頻控制系統在供水穩定性、控制靈活性方面最優，但當前專用變頻器市場價格較高，其經濟性略差。而對于本項目來說，雙變頻控制方案與方案一比較，提高了酒店的供水可靠性；與方案二比較，供水可靠性基本相當，控制靈活性略差，但與酒店投資水平契合。綜合考慮，雙變頻控制方案是適合本工程要求的方案。

[1] CECS 393：2015數字集成全變頻控制恒壓供水設備應用技術規程[S].北京：中國計劃出版社，2015.

[2] 16S111. 變頻調速供水設備選用與安裝[S]. 北京：中國計劃出版社，2016.

[3] 上海熊貓機械(集團)有限公司，《水泵配套控制箱控制方案》.

ControlSchemesComparisonandControlPrincipleofVariableFrequencyConstantPressureWaterSupplySystem

Wang Xiangfeng / Jiang Diangang

Taking the variable frequency constant pressure water supply system in a hotel as an example, the control schemes are compared, and the control principle of variable frequency pumps are introduced briefly.

variable speed pump, constant pressure, the control principle, variable frequency drive, digital integrated full variable frequency