變頻技術在恒壓供水中的應用

劉金磊，姚 磊

（淄博市自來水公司，山東淄博 255000）

1 變頻恒壓供水原理

變頻調速恒壓供水設備以其節能、安全、高品質的供水質量等優點，使供水行業的技術裝備水平從20世紀90年代初開始經歷了一次飛躍。開始從原來的工頻供水方式向變頻供水方式轉變，并且出現了恒壓供水調速系統實現水泵電機無級調速，根據用水量的變化自動調節系統的運行參數，在用水量發生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節能型供水系統。

變頻器是電機變頻調速的執行者，只要改變f，就可實現n的變化而達到無極調速的目的。其轉速方程式為：

n=60f（1-s）/p

其中：f為電源頻率；p為電機極對數；s為電機轉差率；n為電機轉速。

恒壓供水系統集變頻調速技術、PLC技術、PID控制技術等為一體，可組成完整的閉環控制系統。恒壓供水系統在工作時，一般通過安裝在出水管道上的壓力傳感器來檢測壓力的變化，并不斷向變頻器傳輸變化的信號，通過和變頻器設定的壓力相比較后，變頻器通過改變頻率來改變水泵電機的轉速，并且通過PLC進行邏輯控制開機臺數，保證供水管網壓力恒定。

2 調節水泵轉速的節電原理

采用交流變頻技術控制水泵的運行，是目前供水設備節能改造的有效途經之一，圖1繪出了閥門控制調節和變頻調速控制兩種狀態的水泵功率消耗——流量關系曲線。

由圖1可知變頻器控制和閥門控制水泵所消耗的不同功率，在水泵流量為額定的60%時，變頻器控制與閥門控制相比，功率下降了60%，所以水泵僅僅依靠閥門控制是遠遠不夠的，進行變頻器控制的節能改造是十分必要的。

圖1 流量關系曲線圖

對水泵來說，流量Q與轉速N成正比，揚程H與轉速N的二次方成正比，而軸功率P與轉速N的三次方成正比，表1列出了它們之間的關系變化。

表1 流量Q與轉速N關系變化表

由表1可知用變頻調速的方法來減少水泵流量進行節能改造的經濟效益是十分顯著的，當所需流量減少，水泵轉速降低時，其電動機的所需功率按轉速的三次方下降。

計算公式：水泵節電率=[1-（變頻器運行頻率÷50 Hz）3]×100%。

例如：水泵轉速降低30%，即變頻器運行頻率＝35 Hz，水泵節電率＝[1-（35 Hz÷50 Hz）3]×100%＝65.7%；水泵轉速降低20%，即變頻器運行頻率＝40 Hz，水泵節電率＝[1-（40 Hz÷50 Hz）3]×100%＝48.8%。

3 應用實例

淄博市自來水公司尚文苑泵站采用的是無負壓變頻恒壓供水設備，該泵站共有4臺泵，采用的變頻器為三墾SAMCOVM05，SPF系列，通過變頻器內置PID進行壓力控制，并充分利用變頻器自身所帶輸入輸出端子的功能，給PLC輸入信號，由對泵進行邏輯控制，根據用水量實時控制開停泵，達到恒壓供水的目的。

3.1 變頻器選擇及參數設定：

選用日產三墾SPF系列變頻器，該變頻器具有操作簡單、運行可靠等特點，在供水企業得到廣泛的應用。

3.2 圖紙說明

圖紙說明如圖2所示（僅變頻器和PLC部分）。

3.2.1 變頻器接線說明

D01為開泵信號輸出（上限頻率一致時輸出信號）。

D02為關泵信號輸出（下限頻率一致時輸出信號）。

FA、FC為變頻器故障指示（變頻器故障報警時輸出信號）。

DI1為變頻器運轉信號，與DCM1接通變頻器開始運轉。

DI7為變頻器故障復位端子，與DCM1接通變頻器故障復位。

VRF1、+V1、ACM接遠傳壓力表。

3.2.2 PLC接線說明

I0.0為開泵信號。

I0.1為關泵信號。

I0.2為無水保護信號。

I0.3為超壓保護信號。

I0.5為出水壓力低信號。

I0.6為變頻故障信號。

I0.7為1#泵檢修信號。

I1.0為2#泵檢修信號。

I1.1為3#泵檢修信號。

I1.2為4#泵檢修信號。

Q0.0為1#機變頻啟動。

Q0.1為1#機工頻啟動。

Q0.2為2#機變頻啟動。

Q0.3為2#機工頻啟動。

Q0.4為3#機變頻啟動。

Q0.5為3#機工頻啟動。

Q0.6為4#機變頻啟動。

Q0.7為4#機工頻啟動。

Q1.0為變頻器運轉信號輸出。

3.3 運行工藝

3.3.1 開機順序

在自動運行模式下，設備首先檢測是否有無水信號，出口壓力是否低于設定值，如果管網有水而出口壓力低于設定值的則1#水泵啟動，當1#泵運轉頻率到達50 Hz（上限頻率一致），則D01輸出，8KA線圈得電，其常開觸電閉合，經I0.0給PLC輸入開泵信號，得開泵信號后，直接工頻啟動2#泵；如果啟動2#泵仍無法滿足，直接開3#工頻，以此類推；如果4臺機全部啟動，出口壓力仍不能滿足要求，則變頻器報“斷線故障”，需檢查遠傳壓力表及其信號線。

圖2 圖紙說明圖

3.3.2 關泵順序

假設在上述開機順序下4臺泵全部開啟后滿足供水要求，隨著用水量的減少，變頻器已經在所設定的下限頻率（下限頻率一致）運行，則變頻器D02輸出，7KA線圈得電，其常開觸點閉合，經I0.1給PLC輸入關泵信號，2#工頻泵停機，以此類推，先開先停，保障各泵開機時間基本相同。

3.4 泵循環順序

從1#機開始，每24h換1臺變頻泵。

4 其他功能

4.1 休眠控制功能

當只有1臺水泵運行且運行在下限頻率（20 Hz）時，此時控制系統認為無人用水，DO2輸出關泵信號給PLC，PLC控制整套設備進入休眠狀態，直接讓水泵停止運行，最大限度節約電能。在采用此種供水方式時，一般還設一個下限壓力，當出水壓力低于下限壓力時，系統重新喚醒，回復運行，直至進入下一個休眠狀態。

4.2 定時輪換功能

經過設定實踐，讓系統中的水泵進行輪換，使系統中的所有水泵輪流參與運行工作，有效地防止水泵的銹死現象，提高設備的綜合利用率，降低維護費用。特別是當泵的容量基本相似時，選擇定時輪換功能比較合適，以免造成系統工作的震蕩。

4.3 無水檢測及控制功能

對清水池的液位或進口管網壓力進行檢測及控制。當清水池水位或進口管網壓力正常時，系統按照正常設定壓力運行；當水位或壓力低于下限水位時，系統停止運行，防止設備在無水狀態下干磨，損壞設備。

4.4 穩壓控制功能

此項功能是根據特定情況設定的。假設壓力傳感器損壞，變頻器接收不到反饋信號，此時PLC將認為壓力不足而將所有水泵全部開啟，不但造成能源浪費，還容易造成爆管事故。為了防止事情的發生，系統增加了穩壓保護功能。設定了一個高壓保護的壓力，并配合一個下限壓力，實行穩壓控制：當壓力高于上限壓力時，水泵全部停止運行；當壓力低于下限壓力時，水泵再開啟供水，周而復始，保障供水，直到維護人員更換壓力傳感器為止。

5 系統的應用效果

應用了變頻恒壓供水設備以后，尚文苑供水系統的優點如下。

5.1 高效節能

節約電能顯著，節能量通常在30%左右。從單臺水泵的節能來看，流量越小，節能量越大。

5.2 恒壓供水

實現了系統供水壓力穩定而流量可在大范圍內連續變化，從而可以保證用戶任何時候的用水壓力，不會出現在用水高峰期熱水器不能正常使用的情況。

5.3 自動運行、管理簡便

新型的小區變頻恒壓供水系統具備了過流、過壓、欠壓、欠相、短路保護、瞬時停電保護、過載、失速保護、主泵定時輪換控制、密碼設定等功能，功能完善，全自動控制，自動運行，泵房不設崗位，只需派人定期檢查、保養。

5.4 延長設備壽命、保護電網穩定

機泵的轉速不再是長期維持額定轉速運行，減少了機械磨損，降低了機泵故障率，而且主泵定時輪換控制功能自動定時輪換主泵運行，保證各泵磨損均勻且不銹死，延長了機泵使用壽命。變頻器的無級調速運行，實現了機泵軟啟動，避免了電機開停時的大電流對電機線圈和電網的沖擊，消除了水泵的水錘效應。

5.5 降低了噪聲

變頻器屬于靜音式，在夜間低速運行時，大幅度降低了供水系統的噪聲，改善了環境。

5.6 維護更加簡單

變頻器有十分靈活的故障檢測、診斷及顯示功能，因此能及時發現機泵故障隱患，及時維修，提高了機泵運行的可靠性。

6 巡視與保養

變頻設備日常巡視內容主要包括外觀檢查、零部件檢查、功能檢查、散熱及故障檢查。巡視人員要定期檢查是否有異常震動、異常聲音，是否有變形、破損，有無過熱元器件，有無異味，風扇是否正常工作，控制電路顯示情況、水泵電機運行是否正常，并定期清掃變頻器，并查看歷史故障代碼（三墾變頻器故障代碼為098），了解運行情況。

變頻恒壓供水系統在與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經濟性，還是系統的穩定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無可比擬的優勢，而且具有顯著的節能效果，隨著供水工藝的不斷革新，必將有越來越多的新技術、新方案得到開發、使用。