西門子變頻器在變頻恒壓供水系統(tǒng)中的智能節(jié)能化應用
西門子變頻器在變頻恒壓供水系統(tǒng)中的智能節(jié)能化應用
1.引言
長期以來傳統(tǒng)的區(qū)域、樓宇供水系統(tǒng)都是由市政管網(wǎng)經(jīng)過二次加壓和水塔或天面水池來滿足用戶對供水壓力的要求。在這種供水系統(tǒng)中加壓泵通常是用最不利用水點的水壓要求來確定相應的揚程設計，然后泵組根據(jù)流量變化情況來選配，并確定水泵的運行方式。由于小區(qū)用水有著季節(jié)和時段的明顯變化，日常供水運行控制就常采用水泵的運行方式調整加上出口閥開度調節(jié)供水的水量水壓，大量能量消耗在出口閥而浪費，而且存在著水池“二次污染”的問題。
變頻調速技術在給水泵站的應用，成功地解決了能耗和污染的兩大難題。在實際運行中小區(qū)變頻恒壓供水技術比傳統(tǒng)的加壓供水系統(tǒng)還有水壓穩(wěn)定、維護運行成本低等明顯優(yōu)勢。
2.變頻恒壓供水系統(tǒng)的基本原理
變頻恒壓供水控制系統(tǒng)通過測到的管網(wǎng)壓力，經(jīng)變頻器的內置PID調節(jié)器運算后，調節(jié)輸出頻率，實現(xiàn)管網(wǎng)的恒壓供水。變頻器的頻率超限信號（一般可作為管網(wǎng)壓力極限信號）可適時通知PLC進行變頻泵邏輯切換。為防止水錘現(xiàn)象的產生，泵的啟停將聯(lián)動其出口閥門。
變頻恒壓供水系統(tǒng)作原理。假設整個系統(tǒng)由三臺水泵，一臺變頻器（帶內置PID調節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能）和一個壓力變送器及若干輔助部件構成。各部分功能如下：安裝于供水管道上的壓力變送器將管網(wǎng)壓力轉換成1—5伏的電信號；變頻調速器用于調節(jié)水泵轉速以調節(jié)流量；PLC用于邏輯切換。
此外，上述系統(tǒng)還配備了外圍輔助電路，以保障自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可通過人工調節(jié)方式維持系統(tǒng)運行，保證連續(xù)生產。
由水泵－管道供水原理可知，調節(jié)供水流量，原則上有二種方法
一是節(jié)流調節(jié)，開大供水閥，流量上升；關小供水閥，流量下降。
二是調速調節(jié)，水泵轉速升高，供水流量增加；轉速下降，流量降低，對于用水流量經(jīng)常變化的場合（例如生活用水），采用調速調節(jié)流量，具有優(yōu)良的節(jié)能效果。
2.變頻調速恒壓供水的兩種工作模式
（1）多泵并聯(lián)變頻恒壓變量供水的工作模式：當用水流量小于一臺泵在工頻恒壓條件下的流量，由一臺變頻泵調速恒壓供水；當用水流量增大，變頻泵的轉速自動上升；當變頻泵的轉速上升到工頻轉速，為用水流量進一步增大，由變頻供水控制器控制，自動啟動一臺工頻泵投入，該工頻泵提供的流量是恒定的（工頻轉速恒壓下的流量），其余各并聯(lián)工頻泵按相同的原理投入。
在多泵并聯(lián)變頻恒壓變量的供水情況下，當用水流量下降，變頻調速泵的轉速下降（變頻器供電頻率下降）；當頻率下降到零流量的時候，變頻供水控制器發(fā)出一個指令，自動關閉一臺工頻泵使之超出并聯(lián)供水。為了減少工頻泵自動投入或超出時的沖擊（水力的或電流的沖擊）。在投入時，變頻泵的轉速自動下降，然后慢慢上升以滿足恒壓供水的要求。在超出時，變頻泵的轉速應自動上升，然后慢慢下降以滿足恒壓供水的要求。上述頻率自動上升，下降由供水變頻控制器控制。
（2）恒壓變量循環(huán)狀啟動并先開先停的工作模式：在這種供水模式中，當供水流量少于變頻泵在恒壓工頻下的流量時，由變頻泵自動調速供水，當用水流量增大，變頻泵的轉速升高。當變頻泵的轉速升高到工頻轉速，由變頻供水控制器控制把該臺水泵切換到由工頻電網(wǎng)直接供電（不通過變頻器供電）。變頻器則另外啟動一臺并聯(lián)泵投入工作。隨用水流量增大，其余各并聯(lián)泵均按上述相同的方式軟啟動投入。這就是循環(huán)軟啟動投入方式。
變頻恒壓供水系統(tǒng)采用一電位器設定壓力（也可采用面板內部設定壓力），采用一個壓力傳感器（反饋為4~20mA）檢測管網(wǎng)中壓力，壓力傳感器將信號送入變頻器PID回路，PID回路處理之后，送出一個水量增加或減少信號，控制馬達轉速。如在一定延時時間內，壓力還是不足或過大，則通過變頻器作工頻/變頻切換起動另一臺水泵，使實際管網(wǎng)壓力與設定壓力相一致。隨著用水量的減少，變頻器自動減少輸出頻率或切除水泵，達到了節(jié)能的目的。
3.變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方式
變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源，實現(xiàn)電機的無級調速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。傳感器的任務是檢測管網(wǎng)水壓，壓力設定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的水壓期望值。壓力設定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內部PID控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉速控制信號。還有一種辦法是將壓力設定信號和壓力反饋信號送入PID回路調節(jié)器，由PID回路調節(jié)器在調節(jié)器內部進行運算后，輸出給變頻器一個轉速調節(jié)信號，如圖2中虛線所示。
4.變頻恒壓供水系統(tǒng)的構成
變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由水池、變頻控制柜、壓力傳感器、離心泵、觸摸屏顯示器等組成。變頻控制柜由斷路器、變頻調速器、接觸器、中間繼電器、PLC等組成。
供水系統(tǒng)選用原則
(1)．蓄水池容量應大于每小時最大供水量。
(2)．水泵揚程應大于實際供水高度。
(3)．水泵流量總和應大于實際最大供水量。
(4)．變頻控制柜選型：
可根據(jù)供水量和供水高度確定水泵型號及臺數(shù)，然后對控制柜進行選型。
5.結論
變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點：
（1）全自動，無人操作
變頻恒壓供水系統(tǒng)會自動根據(jù)用戶用水量的大小，自動調整水泵轉速、自行決定加減泵的時間臺數(shù)以及消防巡檢的工作程序等，都無需人工干預、人工操作自動完成。
（2）基建投資少，水源無污染，無需防凍處理
變頻恒壓供水系統(tǒng)緊湊，節(jié)省建筑面積60~70%，節(jié)約建筑資金（相對水塔）可達到80~90%。因恒壓供水是將源水直接送到最終用戶，中間無蓄水環(huán)節(jié)，解決了水塔、水箱供水中的二次污染問題，嚴寒冬季也無需再象高位水箱那樣做防凍處理。
（3）節(jié)水節(jié)電效果明顯
變頻恒壓供水系統(tǒng)如果不采用變頻控制時，水泵只能在工頻電源的驅動下連續(xù)運轉。當用水量下降管中壓力上升時只能通過泄壓閥將多余的壓力放掉，這樣造成了很大的能源浪費。采用變頻控制后，可以通過調節(jié)水泵的轉速來控制管中壓力，這樣就達到了節(jié)能的目的。
本變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)約用水可達15~25%；由于采用變頻調速控制，使電機水泵一直工作在高效區(qū)，加上系統(tǒng)采取的一系列節(jié)能措施可使整個供水系統(tǒng)的節(jié)電率高達20~50%。
（4）保護功能完善，實現(xiàn)不間斷供水
變頻恒壓供水系統(tǒng)在設計時充分考慮了潛水電泵、變頻器等的使用性能，具有多種保護功能如：缺相、欠壓、過壓、過流、過熱、過載、不平衡、電機止推磨損、缺水等多種保護功能，同時系統(tǒng)的故障自診斷功能，方便了用戶排查故障，故障電話自動拔號功能，真正實現(xiàn)了泵房無人職守運行，系統(tǒng)還設有手動、半自動、全自動三種工作方式，確保了供水的連續(xù)性。
（5）調試檢修簡便，顯示直觀明了
變頻恒壓供水系統(tǒng)采用最新的IPM模塊變頻器及智能型可編程控器，運用模糊壓力控制等先進技術，使系統(tǒng)調試維護檢修變得簡單方便。系統(tǒng)的電壓、電流、反饋壓力，變頻器的輸出頻率、電流、電機轉速等運行參數(shù)直接顯示在柜體面板上，直觀明了維護方便。
（6）設置靈活、功能齊全
通過PLC編程設計靈活配置系統(tǒng)功能，可增加定時巡檢、日周定時開關機、多壓力設定、變量變壓供水等多種特殊功能，以滿足不同用戶的特殊要求。
可與各種接口的上位機聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的微機遠程監(jiān)控。
同時還可根據(jù)用戶需要構成其它閉環(huán)控制系統(tǒng)，如恒液位、恒流量、比例控制等多種控制系統(tǒng)。
變頻恒壓供水系統(tǒng)的應用：
（1）各類型自來水系統(tǒng)，井用潛水電泵恒壓供水系統(tǒng)。
（2）高層建筑及住宅小區(qū)的生活用水；
（3）工礦企業(yè)用水，對生產流程要求恒壓變量的供水系統(tǒng)，如循環(huán)冷卻用水、空調制冷、鍋爐采暖系統(tǒng)的穩(wěn)壓供水、游泳池循環(huán)用水；
（4）油田管道、油庫、泵站、油港恒壓輸油系統(tǒng)及其它輸液系統(tǒng)；
（5）農村自來水、農業(yè)排灌和建設施工用水、園林噴灑、水景和音樂噴泉系統(tǒng)。
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