變頻技術(shù)在恒壓供水中的應(yīng)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(diào)速恒壓供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點，使供水行業(yè)的技術(shù)裝備水平從20世紀90年代初開始經(jīng)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(zhuǎn)變，并且出現(xiàn)了恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，根據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。

變頻器是電機變頻調(diào)速的執(zhí)行者，只要改變f，就可實現(xiàn)n的變化而達到無極調(diào)速的目的。其轉(zhuǎn)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(shù)；s為電機轉(zhuǎn)差率；n為電機轉(zhuǎn)速。

恒壓供水系統(tǒng)集變頻調(diào)速技術(shù)、PLC技術(shù)、PID控制技術(shù)等為一體，可組成完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。恒壓供水系統(tǒng)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(shè)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(zhuǎn)速，并且通過PLC進行邏輯控制開機臺數(shù)，保證供水管網(wǎng)壓力恒定。

2 調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的節(jié)電原理

采用交流變頻技術(shù)控制水泵的運行，是目前供水設(shè)備節(jié)能改造的有效途經(jīng)之一，圖1繪出了閥門控制調(diào)節(jié)和變頻調(diào)速控制兩種狀態(tài)的水泵功率消耗——流量關(guān)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(jié)能改造是十分必要的。

圖1 流量關(guān)系曲線圖

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

表1 流量Q與轉(zhuǎn)速N關(guān)系變化表

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

計算公式：水泵節(jié)電率=[1-（變頻器運行頻率÷50 Hz）3]×100%。

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

3 應(yīng)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(shè)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(nèi)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(jù)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(shù)設(shè)定：

選用日產(chǎn)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(yè)得到廣泛的應(yīng)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(guān)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(zhuǎn)信號，與DCM1接通變頻器開始運轉(zhuǎn)。

DI7為變頻器故障復(fù)位端子，與DCM1接通變頻器故障復(fù)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(guān)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(zhuǎn)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(shè)備首先檢測是否有無水信號，出口壓力是否低于設(shè)定值，如果管網(wǎng)有水而出口壓力低于設(shè)定值的則1#水泵啟動，當(dāng)1#泵運轉(zhuǎn)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(jīng)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(guān)泵順序

假設(shè)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(jīng)在所設(shè)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(jīng)I0.1給PLC輸入關(guān)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(huán)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(dāng)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(tǒng)認為無人用水，DO2輸出關(guān)泵信號給PLC，PLC控制整套設(shè)備進入休眠狀態(tài)，直接讓水泵停止運行，最大限度節(jié)約電能。在采用此種供水方式時，一般還設(shè)一個下限壓力，當(dāng)出水壓力低于下限壓力時，系統(tǒng)重新喚醒，回復(fù)運行，直至進入下一個休眠狀態(tài)。

4.2 定時輪換功能

經(jīng)過設(shè)定實踐，讓系統(tǒng)中的水泵進行輪換，使系統(tǒng)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(xiàn)象，提高設(shè)備的綜合利用率，降低維護費用。特別是當(dāng)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(tǒng)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(wǎng)壓力進行檢測及控制。當(dāng)清水池水位或進口管網(wǎng)壓力正常時，系統(tǒng)按照正常設(shè)定壓力運行；當(dāng)水位或壓力低于下限水位時，系統(tǒng)停止運行，防止設(shè)備在無水狀態(tài)下干磨，損壞設(shè)備。

4.4 穩(wěn)壓控制功能

此項功能是根據(jù)特定情況設(shè)定的。假設(shè)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(fā)生，系統(tǒng)增加了穩(wěn)壓保護功能。設(shè)定了一個高壓保護的壓力，并配合一個下限壓力，實行穩(wěn)壓控制：當(dāng)壓力高于上限壓力時，水泵全部停止運行；當(dāng)壓力低于下限壓力時，水泵再開啟供水，周而復(fù)始，保障供水，直到維護人員更換壓力傳感器為止。

5 系統(tǒng)的應(yīng)用效果

應(yīng)用了變頻恒壓供水設(shè)備以后，尚文苑供水系統(tǒng)的優(yōu)點如下。

5.1 高效節(jié)能

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

5.2 恒壓供水

實現(xiàn)了系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定而流量可在大范圍內(nèi)連續(xù)變化，從而可以保證用戶任何時候的用水壓力，不會出現(xiàn)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(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)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(shè)定等功能，功能完善，全自動控制，自動運行，泵房不設(shè)崗位，只需派人定期檢查、保養(yǎng)。

5.4 延長設(shè)備壽命、保護電網(wǎng)穩(wěn)定

機泵的轉(zhuǎn)速不再是長期維持額定轉(zhuǎn)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(diào)速運行，實現(xiàn)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(wǎng)的沖擊，消除了水泵的水錘效應(yīng)。

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(tǒng)的噪聲，改善了環(huán)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(fā)現(xiàn)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(yǎng)

變頻設(shè)備日常巡視內(nèi)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(fēng)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(tǒng)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(shè)備的投資，運行的經(jīng)濟性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無可比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)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(shù)、新方案得到開發(fā)、使用。