小区变频控制式供水系统

　　(1)水箱式变频控制

    九十年代末期，变频供水设备出现了。最早的形式是水箱式变频供水，见下图所示。管路结构上是将体积庞大的气压罐取消，市政供水存储在水箱里，变频泵抽取水箱中的贮水直接对用户管网加压供水。这种供水设备可以不使用气压罐，变频水泵不是反复启停的工作模式，而是一直运转。当用户的用水量变化时，由水泵出水管上的压力传感器（电阻式远传压力表或压力变送器）对压力采样，通过PID控制变频器平滑调节水泵转速，保持水泵出口压力恒定。

　　实际使用效果证明，这种早期形式的水箱式变频供水设备耗电极大，尤其是在居民小区入住率很低、或夜间用水很少的时候，远远超过同等容量的气压罐供水设备。究其原因，水泵电机的高效区在全速工频50Hz的位置，变频降速运转直接导致了水泵效率下降。而且，变频供水的泵容量选型往往需要比气压罐供水更大一些。因此这种形式的变频供水相比工频启停的气压罐供水完全不能省电，付出高电耗的代价换来的仅仅是压力控制精确一些和设备体积减小了一些。
　　
　　(2)管网叠压式变频控制

    但是，变频供水有进一步降低电耗的潜力。随着市政供水管网的建设，进入居民小区的市政供水管道压力、管径逐步增大，供水压力、流量已经能够满足很多用户直接供水。仅在用水高峰水压下降时或楼层较高的用户才需要二次加压供水。在这种情况下，变频泵入口的水箱便可以取消了，这就出现了如今使用非常广泛的管网叠压式供水设备。
　　
　　管网叠压供水设备取消了变频泵人口的水箱，基本原理是由变频泵直接抽吸市政供水，增压后供给用户管网，这将大幅度降低电耗。因为如果将市政供水直接放到水箱里，将使市政水压降低为零，然后变频泵再由零压增压至用户压力，水泵当然需要较高的扬程，相应配套电机功率也要大很多，电耗自然要高。现在变频泵的人口直接抽吸市政供水，在市政供水现有压力基础上，只要稍稍增压即可满足用户管网的压力需求，变频泵的扬程、配套电机的功率均可以减小许多，这种管网叠压供水的模式是大幅度降低电耗的主要原因。但叠压供水的应用是有条件的，不是所有场合都可以使用。例如，如果市政供水管径很小，或者市政供水量与用户管网用水高峰期的需水量存在很大缺口（即峰谷用水量差别很大），则不宜使用叠压供水，否则容易发生缺水保护停机或水泵过度抽吸影响临近的小区和单位用水。另外，工频启停的水泵也不适用于叠压供水。
　　
　　叠压供水在实际的应用中，变频泵其实并不是直接抽吸市政供水管的，取消了储水水箱后，却需要增加一个水源罐，见下图所示。水源罐一般是一个体积不太大的卧式储罐，分呼吸式水源罐和预压式水源罐两种类型。它存储的水量，用于补充市政供水量与用户管网用水高峰期需水量之间的缺口。

　　
　　呼吸式水源罐的工作情况是：罐顶安装了一个真空抑制器，真空抑制器是用于消除负压的部件，有了它，水泵不会将市政供水管抽成负压，它的原理可以等效成一个安装在罐内的浮球阀。首次使用时，真空抑制器的浮球未浮起，呼吸气孔打开，市政供水进入水源罐，罐内气体由真空抑制器的气孔排出。
　　
　　当罐体充满水时，真空抑制器的浮球浮起，关闭气孔，水源罐被封闭起来。变频泵启动后，只要市政供水提供的水量能够满足用户的需求，则水源罐一直处于正压状态。用水高峰时，需水量大于市政供水量，罐内水位稍微下降后，真空抑制器的浮球下落，气孔打开，水源罐内部与大气相通，进入零压运行状态，此时的水源罐变成一个小型的水箱，其储备水量补充了市政供水水量的不足，满足用户的高峰期用水。高峰期过后，市政供水量大于用户需水量，水源罐再次排出气体蓄满水。如果高峰期用水量特别多，水源罐内水位降至极限，则罐内的液位开关发出缺水停机保护信号。只要呼吸式水源罐容积选型得当，便可以补偿整个用水高峰，设备实现不停机运转，同时又不会将市政供水管抽吸成负压，不会影响临近小区和单位。

　　预压式水源罐类似囊式气压罐，内邦预充有一定量的压缩气体，高峰用水时，由预压的气体推动储备水量对市政供水水量的不足进行补偿，这种罐没有呼吸气孔，全密闭运行，但补偿水量比同等罐体的呼吸罐少。
　　
　　前面以使用一台变频泵来讲述原理，实际的设备都是由两台、三台甚至更多水泵并联运转。多台水泵组合的轮换变频的供水设备，除了可靠性提高外，更有利于节能。因为居民小区用水量峰谷波动极大，只使用一台水泵，其流量要按照最不利的用水高峰配置，水泵的配套电机功率自然要很大。用水低谷时，将巨大的电机调速到低速运转，严重偏离了高效区，不利于节电。而多泵轮换补充的工作模式可以使用多个小流量的水泵并联运行，每个水泵的配套电机都很小，只要多台水泵的总流量满足用水高峰即可。这种设备的工作过程，以两台水泵为例：首先变频启动A泵，升速，用水高峰时，A泵达到全速50Hz，如果水压仍不满足，则A泵切至工频运转，变频启动B泵补充。用水高峰过后，水压升高，B泵开始减速，B泵减速至频率下限时，则工频运转的A泵停止，B泵升高转速维持变频运转。
　　
　　可见，两台水泵并没有变频泵、工频泵的固定定义，它们根据需要自动轮换。通过编写合理的供水程序，控制电路可以只使用一台变频器轮流拖动多台水泵电机，设备成本也降低了。这种多泵轮换供水的电路主回路如下图所示（仍以两台水泵为例）：
　　
　　下图中，KM1、KM2是变频运转接触器，KM3、KM4是工频运转接触器，通过编程控制器控制接触器的切换。需要特别注意的是，同一台水泵的变频接触器与工频接触器必须设置可靠的互锁，防止两台接触器同时吸合，那将导致工频电压直接加到变频器输出端，损坏变频器。

　　供水编程控制的控制电路常见的有四种方案：
　　
　　企业自行开发一块编程控制板、使用通用的工业PLC编程控制器、使用成品恒压供水控制器、使用内置供水程序的变频器（例如：ABB ACS510变频器）。
　　
　　笔者认为，使用成品恒压供水控制器，对于供水系统维修、改造是最简单、最经济的方案，可以方便地与各种品牌的变频器配套使用。购物网站上有很多种恒压供水控制器，有些还是触屏的，这款中文液晶显示带背光的实际使用效果不错，内置PID控制、多泵轮换供水程序，功能十分丰富，见下图所示。使用时，按照产品说明书，只需将各功能端子连接到主回路的每个接触器线圈上，压力采样端子连接到电阻式远传压力表或压力变送器上，另外再连接控制变频器的启动信号、模拟量调速信号即可，接线很简单。
　　
　　至此，介绍了目前广泛应用的多泵轮换的叠压式无负压变频供水设备，在这种设备上，还可以有一种重要的节能措施：小流量休眠。

　　变频供水设备取消了水泵出口的气压罐后，变频泵就需要持续运转，即使在夜间用水流量极小时也不能停机，因为一旦停机，压力会迅速下降。水泵一直低速运转的能耗也是非常可观的，进一步节省这些电能的方案是在水泵出口管路上增加一个小流量补偿罐，实际就是一个小型囊式气压罐，见下图所示。

　　增加这个小流量补偿罐后，供水程序中就可以设置“小流量休眠”功能了。当夜间用水量极低时，变频器输出频率下降至程序设置的“休眠频率”后，程序将自动停泵，供水设备进入休眠状态。此时，小流量补偿罐将补偿管道中水压的微量下降，如果水压持续下降，降到程序设置的“唤醒压力”时，程序又会立即将水泵启动升速，保持管路压力基本恒定。这种“休眠、唤醒”功能将大幅度降低夜间小流量用水时设备的电耗。前面图14所示的恒压供水控制器内部程序中就已经附带了这种功能。
　　
　　许多设备生产厂家其实都知道这种小流量补偿罐对设备节能的重要性，但是购买设备的用户不理解。许多用户都认为：变频技术是不需要水泵出口设置气压罐的，如果设置了罐，说明产品技术不成熟，技术水平低。面对这样的误解，一些厂家只能躲躲闪闪地在水泵出口管路上设置一个极小的气压罐，补偿能力大打折扣，设备休眠停机的时间很短。

　　另有厂家居然将小流量补偿罐藏进人口的水源罐中（或者说是在水源罐里面间隔出一个补偿腔室），将管路穿过水泵吸水管接到水泵出口，有点故弄玄虚之感。所以在进行这种节能改造时．应该实实在在地在出口设置一个气压罐，而且罐体容积可以尽量大一些，这样程序执行休眠后，设备可以停机很长时间而不需要唤醒，有利于节能。
　　
　　最后，介绍一下恒压供水与变压力供水。供水设备恒压不等于用户端恒压，因为从供水设备泵房到用户家里经过了长长的管路，水流经过管路时是有阻力的，会产生压降，这一点非常类似导线的电阻引起的电压降。供水流量增大时，管路压降随之增大，如果供水设备保持恒压，则用户端的水压必然要下降。就用户端的水压稳定效果而言，变频恒压供水还没有古老的楼顶高位水箱供水的水压稳定。
　　
　　楼顶高位水箱，那是真正的用户端恒压，这真让人有种返璞归真的感觉。所幸，变压力供水的方案出现了，它的管路、电路都不需要改变，只是在供水程序上设置一个自动改变设置压力的功能，在用水流量增大时，自动提高供水设备的设置压力以补偿管路增加的压降。 

本文关键字：暂无联系方式其它电器-设备，电子知识资料 - 其它电器-设备