哈尔滨供水集团二次供水分公司
摘要：本文是针对节能和提高供水质量问题而提出的恒压供水系统设计和应用的研究．文中分析了变频调速的节能原理，阐述了采用变频技术、PLC技术及自动控制技术相结合在二次供水中来实现的恒压供水控制的系统总体设计方案。通过真实案例．该系统具有较强的功能．对供水质量、节约能源和运行可靠性具有较好的改善。
关键词：变频器；PLC；恒压供水；节能
1 变频调速在恒压供水系统中的节能原理
在流量稳定的情况下，恒压供水系统中水泵的额定转数基本上是相对恒定的，这种情况下根本就不需要变频调速，不需要去改变水泵的运转速度。但是，事实上居民生活区的用水昼夜之间存在着很大的差异，当夜间所需水量小于正常用水量时，水泵运转通过阀门调节的过程中，就会有大量的能量白白消耗在管阻系统上。如果将变频调速应用在恒压供水系统中，变频调速可以在用水需求量小的时刻降低水泵的转速，进而降低水泵运转所消耗的能耗，从而达到节能的目的。如图1所示。
在这里，Q表示用水量，1代表阀门关小管阻特性线，2代表阀门全开管阻特性线，3代表电动机的额定转速曲线，而4 代表电动机转速下降曲线Q
水泵的供水功率可表示为=Q
通过对图1的分析，我们不难看出当水流量从降到的过程中，变频调速系统能够发挥作用，使水泵的运转速度下降，而阀门仍然保持在原有的状态。在时，水泵的扬程下降到 这一点，其相应的水泵供水功率 和图上面积OECH 成正比，分析和比较以后，我们确定图上面积HCBF与节约的供水功率正好也成正比。可见，使用了变频调速系统的恒压供水系统较之没有使用变频调速系统的恒压供水系统确实能够节约更多的能耗，效果显著。
正是由于变频调速系统节能效果显著，目前，绝大部分居民区的生活供水系统都采用了这种变频调速系统。
图1
2供水系统的变频调速原理
2.1水泵调速运行原理
全自动变频调速供水控制系统主要有PLC、变频器、压力变送器、液位传感器、动力及控制线路以及泵组组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。通过安装在出水管网上的压力变送器，把出口压力信号变成4～20mA标准信号送入PLC内置的PID调节器，经 PID运算与给定压力参数进行比较，得到相应参数并转化为4～20mA电流信号，4～20mA信号送至变频器。控制系统由变频器控制水泵的转速以调节供水量，变频器调节水泵的转速不同、工作频率也就不同，在变频器设置中设定一个上限频率和下限频率检测，当用水量大时，变频器迅速上升到上限频率，此时，变频器输出一个开关信号给PLC；当用水处于低峰时，变频器输出达到下限频率，变频器也输出一个开关信号给PLC；两个信号不会同时产生。当产生任何一个信号时，信号即反馈给PLC，PLC通过设定的内部程序驱动I/O端口开关量的输出来实现切换交流接触器组，以此协调投入工作的水泵电机台数，并完成电机的启停、变频与工频的切换。通过调整投入工作的电机台数和控制电机组中一台电机的变频转速，使系统管网的工作压力始终稳定，进而达到恒压供水的目的。供水系统的工作原理如图2.1所示。在供水系统中，控制对象是水泵，控制目标是保持管网水压恒定，控制方法是压力信号的反馈闭环控制。
图2.1
2.2本系统的主要工作简述
在本论文中，我们以我公司所做的一个实际案例做为切入点，如图2.2所示。一个拥有3000余户的多层住宅楼小区，该小区采用水箱-市政变频恒压供水，根据 《GB/T 50331-2002城市居民生活用水量标准》规定，结合前期对该小区用水情况的调研，最终确定该小区用水量约为810t/d，据此选定三台立式柱塞泵，型号为扬程：53m；流量：65/h；功率：15Kw，根据用水量与泵组确定生活用水水箱为150。管网供水压力设定为0.35mpa，运行频率在36-42Hz。该系统有手动和自动两种运行方式。手动方式时，按下按钮启动和停止水泵，可根据需要分别控制1#~3#泵的启停，该方式主要供设备调试、自动有故障和检修时使用。自动运行时，存在以下3种主要状态：
状态1：1#水泵变频运行，2#、3#未投入使用。当前用水量正常，1#泵的工作频率在20Hz-50Hz之间。若当前压力小于设定值，则升高1#泵的工作频率，若达到工频，则进入状态2；若当前压力等于设定值，则1#泵的工作频率保持不变，若当前压力大于设定值，则降低1#泵工作频率。
状态2：1#泵工作频率升至工频，1#泵转为工频运行，2#泵变频启动，若当前压力值等于设定值，则1#、2#泵保持工作频率不变，若当前压力小于设定值，2#泵继续升频，当2#泵工作频率升至工频，进入状态3。若当前压力大于设定值，则降低2#泵的工作频率，当2#泵的工作频率低于20Hz时，1#泵停止运行，2#泵升频，直到压力达到设定值。
状态3：1#、2#泵均为工频运行，3#泵变频启动，若当前压力值等于设定值，则3#泵工作频率不变，若当前压力大于设定值，3#泵工作频率下降，当3#泵工作频率低于20Hz时，1#泵停止工作，若此时压力小于设定值，则3#泵工作频率上升，若等于设定值，则3#泵频率不变，若压力仍然大于设定值，则降低3#泵的工作频率，当3#泵的工作频率低于20Hz时，则2#泵停止工作，系统再次判断当前压力值，此时由于3#泵工作频率已介于20Hz临界点，若管网正常，此时管网压力会小于设定值，3#泵工作频率一定上升。
以此类推，总之，系统遵循“先启先停”原则，此外为了防止管网压力变化小而导致总是一台泵工作，故在系统中设定倒泵程序，每台泵累计工作24小时（此时段可设定），就要停止工作，顺延下一台水泵进入工作，但是恒压优先级最高，也就是说，当一台或两台水泵在满负荷输出时仍然无法保证当前压力达到设定值，则第二台或第三台即使在已经工作满24小时的情况下仍然不会退出工作。
在系统工作时，为了防止由于管网压力波动而导致加减泵频繁动作，系统中设定加泵延时2min、减泵延时2s（两处时段均可设定），这样有效的控制了由于水泵频繁启停而对其自身的影响。
为了进一步节能，本系统采用水箱-市政变频供水方式，当市政来水压力不小于0. 05Mpa，时，系统水源采用市政来水，此时系统采用叠压供水方式，水泵输出功率降低，起到节能作用。当市政来水压力不足0.05Mpa时，系统水源切换至水箱供水，当市政来水压力大于0.08Mpa时，系统由水箱切换至市政供水。为确保水箱内存水每天能够更换，系统强制要求在每天上午10：00-下午14：00强制水箱供水（此时间可通过时控开关设定），这样既保证了节能，又保证了水质。如图2.2
2.3 水位控制系统
在水箱内设有遥控浮球阀和液位计，遥控浮球阀控制水箱进水，液位计由探头与信号线组成，探头置于水箱底部，将液位高度通过压差转化为4-20mA电流信号进行标定，我们给水箱标定5个节点，当水位到达这个高度时，系统启动相应的控制。这五个节点自下而上分别为水箱超低水位线（A），水箱低水位线（B），水箱高水位线（C），水箱高高水位（D），水箱超高水位线（E）。其含义分别为：
水箱超低水位线（A）：当水位到达此位置时，被系统认为液位计对于液位到达B点时的控制失灵，为了保证供水安全，系统停止工作并报警。
水箱低水位线（B）：当液位到达此位置时，水泵停止工作。系统判断水箱存水不足，待液位回升到C点时，再恢复供水。
水箱高水位线（C）：液位到达此位置时，水泵重新启动供水。
水箱高高水位线（D）：此位置与（E）点形成互锁，当液位回落到达此位置时，进水电动阀打开。
水箱超高水位线（E）：该节点位置位于水箱进水浮球阀与水箱溢流口之间，其作用是当进水浮球阀失效，水位到达此节点位置时，系统关闭进水电动阀同时报警。如图2.2.1
3 变频恒压供水的优势
变频调速恒压供水系统与传统的供水方式相比，它能够维持24小时恒定压力，还能根据压力信号大小实现无级压力调整，避免由于压力造成的管网破裂和水龙头开启时的共振现象。近年来，变频恒压供水系统渐渐取代了以往的高位水箱和压力罐供水设施，不仅大大节省了资金和设施占地空间，还能够减少水泵的损耗，大大延长水泵的使用寿命。变频恒压供水系统能够有效避免传统供水方式中启停时的“水锤效应”，避免供水系统中水压不稳，同时减少水质污染问题的出现。变频恒压供水系统能够根据用户的实际用水情况，自动进行调节，调整电机的转速，使其达到更好的节能效果。变频恒压供水能够支持多泵循环工作，这样一来，可以解决传统供水方式中无论何时必须开启至少一个泵运行的问题，大大节省了人力、物力。
4 结论
随着科学技术的发展，我们的经济得到巨大的发展，人们生活水平不断提高，大家对衣食住行质量的要求也渐渐高了起来。生活用水作为与人们生活息息相关的重要资源，自然会引起人们的广泛关注。变频恒压供水系统具有节能，供水质量好等优势，获得了社会各界的普遍认同。
参考文献：
[1]张燕宾主编．变频技术原理与应用．机械工业出版社，2007.
[2]范洪艳，陈凤，李壮。小区变频恒压供水系【J】。电机技术，2011，（2）：44~46
[3]变频器原理及应用（第2版）。机械工业出版社，2009。
[4]高勤主编．电器与PLC控制技术．高等教育出版社，2001．
作者简介：
杜 杨，电气工程师，中级，黑龙江八一农垦大学，农业电气化与自动化，2007.7至今。
论文作者:杜杨
论文发表刊物:《防护工程》2018年第19期
论文发表时间:2018/11/1
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