变频调速给水

1变频调速给水1.1概述常用的加压供水方式有高位水箱供水、气压供水、变频调速供水、管网叠压（无负压）变频调速供水和管网叠压（无负压）高水位水箱供水等。其耗能、供水安全及防二次污染等方面的比较见表1。常用供水加压方式比较表1项目12345供水加压方式高位水箱供水气压供水变频调速供水管网叠压（无负压）变频调速供水管网叠压（无负压）高水位水箱供水组成水池+工频泵+高位水箱水池+工频泵+气压罐水池+变频调速水泵稳流罐+变频调速水泵稳流罐+工频泵+高位水箱水泵运行工况均在高效区段运行比1稍差部分时段低效运行能利用市政剩余水压、部分时段低效运行能利用市政剩余水压、均在高效区段运行能耗111～2≈11供水安全性好比1差差差比1稍差供水压力ΔP≤水箱高低水位差21PP=0.45～0.85ΔP≤0.01MPaΔP≤0.01MPaΔP≤水箱高低水位差水质二次污染情况差较差较差好好投资11111运行费用1稍11≈11注：1.表中P1、P2表示气压水罐的最低、最高工作摇篮，绝对压力（MPa）；ΔP为实际压力波动值。2.管网叠压（无负压）高位水箱供水方式中的高位水箱不同于高位水箱供水方式的水箱，应为采取了空气过滤装置的密闭水箱。近年来，管网叠压（无负压）变频调速供水方式已在不少城市使用。但是，该供水方式有一定的适用范围和局限性，不是万2能的，不是哪种场合都能使用的。故变频调速供水方式仍是目前应用较广的供水方式。在应用中应合理选用水泵，加长水泵在高效区的工作时间，因地制宜，发挥其应有的节能效果。变频调速供水方式适用于每日用水时间长、用水量经常变化的生活和生产给水系统，凡需要增压的给水系统及热水系统均可选用。该供水设备的优点主要表现在设定水泵出水压力的情况下，水泵的出水量（用户用水量）可通过变频调速改变供电频率进而改变水泵转速来实现；供水压力一直被控制在设定的压力下，不会出现用水小时管网压力超过设定压力的现象。缺点是当供水范围较小、用水变化幅度过大时，节能效果不明显，甚至不节能；对电源要求较高，必须可靠，保护功能要齐全。变频调速给水设备是比较节能的设备。它是利用控制柜内的变频器和微机来控制水泵的运行，使水泵按照实际运行参数（变化着的用户用水量和设定的水压）进行变频调速供水，把水泵工频运行时特性曲线中的多余功通过变频器调频节约下来。变频调速泵的调泵范围在100%～75%之间，这就使得当水泵在小流量或零流量工况工作时，水泵的运行会落在低效区。如果水泵长时间运行在低效区，则该给水设备不但不能节能、反而会浪费能量。因此，对于像生活给水设备存在夜间小流量和零流量时间较长的装置，除了变频调速主泵外，还会配置小泵和气压水罐，采用时间继电器或流量监测装置来控制小泵和气压水罐的运行，一旦到了夜里设定的时间或用户的用水量减少到确定的某一数值时，给水设备自动切换到小泵和气压水罐联合工作。这样做的目的是缩短变频调速主泵在小流量或零流量低效工作时间，使系统更节能。在使用变频调速给水设备时，设备的环境应符合如下要求：（1)气温：5～40℃。3（2)相对湿度：温度20℃时，相对湿度≤90%。（3)海拔高度：不应超过1000m。（4)设备不应安装在多粉尘、有腐蚀性气体的场合；室内安装时，环境应干燥，无结露、通风。不能安装在露天。1.2组成和工作原理从供水方式上分，变频调速供水系统可分为恒压变流量方式和变压变流量方式两种。它们主要由水池、工作主泵、变频控制柜组成，对于用水量变化范围大、小流量或零流量时段较长的场所，为了节能，还配有辅助小泵和气压水罐。两种供水方式的变频调速供水系统示意见图1、图2。两种供水方式的不同在于使变频控制柜产生变频工作的压力信号发出的地点是不同的。恒压变流量供水方式的电接点压力表是安装在紧挨主泵的出水管上，根据用户用水要求设定压力值，为了保持泵出口的此压力值，随着用水量的变化，变频控制柜会发出变频指令控制供水主泵不断改变转速运行。“恒压”指的是泵出口的压力保持恒定，“变流量”指的是系统的流量（用户的用水量）在不断改变的。在图3中，恒压变流量供水方式节省的能量是水泵Q-H特性曲线与恒压变流量水泵工作曲线之间所夹的面积Ⅰ。变压变流量供水方式比恒压变流量供水方式更节能。它是将压力传感器安装在系统最不利用水点附近，压力表的设定压力是依据保证最不利用户的水压要求而定。此压力值设定后，将压力信号远距离输入变频控制柜中，当系统的用水量改变时，为保持最不利点的设定压力，供水主泵的出水压力是随着用水量的变化在不断改变，因此主泵出水压力的变化是靠变频器改变水泵的转速来实现。“变压”指的是主泵的出口水压是变化不固定的，“变流量”同样指的是系统的流量随时在变化的。在图3中，变压变流量供水方式除了节省I的面积外，还节省了由恒压变流量水泵工作曲线与变压变流量水泵工4作曲线之间所围成的面积Ⅱ。显然，变压变流量供水方式比恒压变流量供水方式更节能。但是，变压变流量供水方式也存在缺点：一是压力传感器位置较远，安装在最不利用户附近，运行不方便且增加事故的几率和投资；二是对于加压供水区域较大、距离较远时，由于水流输送时水头损失的存在，会产生距泵房较近处供水压力差稍大的现象。此种供水方式采用并不多。从以上分析得出，对于同一套恒压变流量方式运行的变频调速给水系统，设定的恒压值越高、所选用的水泵Q—H特性曲线越平缓，其节能率就越低。辅助小泵和气压水罐是为夜间小流量或零流量时的运行而设置的。但是，如果设置不当，许多系统效果不理想，甚至形同虚设。在夜间小流量供水时，供水系统往往不能切换成功，也会因此系统配置不当导致很快又切换至主泵供水。因此，怎样来配置辅助小泵和气压水罐，怎样可靠地从主泵供水切换到辅助小泵和气压水罐工作，就成为配置辅助小泵和气压水罐的变频调速供水设备应重视的一个问题。下面讨论辅助小泵和气压水罐的配置和切换的几种控制方式：（1）采用阀值频率控制供水主泵切换到辅助小泵和气压水罐运行的方法：5该方法是基于使供水主泵在变频调速运行时都处在高效区这一原则，故切换阀值频率的确定不是机械地依据主泵工频流量的1/3～1/4，而是由主泵Q-H特性曲线高效区的左端起点的流量决定。图4是选用的单台供水主泵的Q-H、Q-η特性曲线和变频运行时的恒压线。图中Q-H特性曲线上的A～B段是对应Q-η曲线高效区段的高效工作区。HH是恒压变流量供水方式设定的水泵出口的恒压值。G点是主泵工频运行时的工况点，在高效区A～B靠近右侧末端，符合选泵原则。A点是主泵高效工作区的左侧断点，也是主泵切换点A＇与其相应的工频工作点。A点换算A＇的参数可通过相似原理等效曲线来计算。通过分析看出，采用阀值频率控制供水主泵切换到辅助小泵和气压水罐运行的方式不适用Q-H曲线在小流量段有驼峰和很平缓的水泵。因为，在Q-H曲线小流量段非常平缓的水泵，水泵转速（频率）的变化对流量的变化很不敏感，这会影响到切换的可靠性。而Q-H曲线有驼峰的水泵，在小流量区段，对于同一个恒压设定值，工况点有时不是唯一的，这点影响了切换点的唯一性。故此类水泵不应选用。（2）流量控制方式用流量控制来切换供水主泵向辅助小泵和气压水罐运行过6渡的方法比用控制变频频率的方法更直接。方法是在水泵的主出水管上加装一个电磁流量计，电磁流量计上可读出瞬时流量及累加流量，也可通过转换器，当管道内流量减小到流量QA＇（见图4）时，输出信号至变频控制柜，从而准确地控制供水主泵和辅助小泵之间的切换。此方法可靠，因加装了电磁流量计，故需加大投资。（3）时间控制方式根据变频调速供水系统供水小区的规模、入住（用）率、用水习惯，依据经验及教训，如果可以较明确的确定在夜间某个时段属于小流量供水，便可使用时间控制方式。变频控制柜内设时间继电器，每天夜间都确定一个固定时段为小流量供水，每天一到此时段，系统自动将主泵切换为辅助小泵和气压水罐工作。目前，以上三种供水主泵切换为辅助小泵和气压水罐工作的方式都有许多例，运行状况都叫稳定。1.3计算与设计要点（1）计算1）系统的设计流量qs的计算变频调速供水系统设计流量应按照《建筑给水排水设计规范》GB50015的有关条款，依据不同性质用户采用不同的计算方法。①住宅与居民小区住宅建筑物内系统设计流量应按设计秒流量确定。供水规模小于3000人的居住小区设计流量应按设计秒流量确定。供水规模大于3000人的居住小区设计流量应按最大小时流量确定。据有关资料介绍，设计秒流量的理论计算值与调查所得的最7大小时流量的比值大致在2.5～1.8倍之间。使用人数少者比值大，使用人数多者比值小。因此，在计算中一定要注意设计秒流量与最大小时流量概念之间的差异，避免给设计流量计算带来很大误差。②集体宿舍、旅馆、宾馆、医院、疗养院、幼儿园、养老院、办公楼、商场、客运站、会展中心、中小学教学楼等：系统设计流量取其设计秒流量。③工业企业生活间、公共浴室、职工食堂、营业餐厅、体育馆运动员休息室、剧院化妆间、普通理化实验室等：系统设计流量取其设计秒流量。④不同用水性质的建筑共用同一系统时，不宜将各栋建筑的设计流量直接叠加。建议在分析它们同时发生可能性的基础上，结合有关规范（规程）综合确定。2）水泵出口恒压设定值PH的确定工况１：向最不利点用户供水。PH=0.0098（h1+h2+h3)(1-1)式中PH——主泵出口设定压力值（MPa);h1——水泵中心至用户最不利用水点几何高程差（m）；h2——水流从水泵出口至用水点的管道沿程与局部阻力损失之和（m)；h3——最不利点卫生设备的流出工作压力（m)。工况2：向最不利点高位消防水箱供水。PH=0.0098（h4+h5+h6)(1-2)式中h4——水泵中心至高位消防水箱最高水位的几何高程差（m）；H5——水流从水泵出口至高位消防水箱的管道沿程与局部阻力损失之和（m)；8H6——高位消防水箱进口浮球阀的工作水头，可取1.5m。PH值取两种工况下的大值。3)供水主泵性能参数的确定①流量Qb：二泵组合（一用一备）时：Qb≥1.2q5三泵组合（两用一备）时：Qb≥1.2q5/2四泵组合（三用一备）时：Qb≥1.2q5/3主泵的选用一般选用同一型号规格。最多可选四台主泵。②扬程泵Hb：Hb=HH-HX（1-3）HH=PH/0.0098HX=h7-h8（1-4）式中Hb——主泵的扬程（m)，在式（1-3）计算的基础上，应考虑2～3m的富余水头，以适应不可预见因素；HH——相应于主泵出口设定恒压值的扬程值（m）；HX——供水主泵进口压力（m）；h7——水池最低水位与泵中心的高程差（m）；h8——水泵吸水管沿程和局部阻力损失之后（m）；局部阻力损失包括水流通过吸水管进口、弯头及阀门等处的9局部阻力（见图6）。常用管径吸水管的阻力见表2，供参考。从表2看出，由于水泵吸水管一般较短、阻力都较小，若遇水池水位与水泵中心高程差较小时，在计算时往往不计HH或h7、h8之值。吸水管沿程和局部阻力（m）吸水管直径DN（mm）沿程阻力（当V=1.2m/s时）局部阻力（当V=1.2m/s时）合计L=5mL=10m吸水管进口弯头阀门泵进口500.360.720.040.030.040.070.54～0.90800.210.410.040.030.39～0.591000.150.290.050.010.32～0.461500.090.10.050.010.26～0.344）主泵向辅助水泵和气压水罐切换点的阀值频率ｆ的确定在图4中，过A点作等效曲线22QQHHAA,交恒压线的交点A′点即切换点。切换点的流量QA′由式（1-5）确定：AAAAAQHQHQAA′′HH(1-5)式中QA′——切换点主泵的流量（m3/h）；QA——主泵工频运行处于高效区左端时的流量（m3/h）；HH——主泵出口设定压力值（m）；HA——主泵工频运行处于高效区左端时的扬程（m）；10切换时阀值频率f：50'AAQQf（1-6）式中f——阀值频率（Hz）；50——工频频率值。5)辅助小泵和气压水罐的选用和气压给水设备类同，在辅助小泵和气压水罐联合运行时，也存在最低工作压力和最高工作压力两种工况。当