摘要：变频器在供水系统中的使用可以提高水压的稳定性，还能智能调整用水高峰期和用水低谷时的水压，变频器在各行各业已得到广泛应用。本文简要阐述了变频恒压供水原理，对供水系统的设计与具体应用进行研究探讨，希望为今后高层住宅的供水状况提供推动力。
关键词：供水系统；变频器；恒压
前言
随着社会经济的飞速发展、人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性等提出了越来越高的要求，传统的供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以满足当前经济生活的需要，完善的变频恒压供水系统成为现代生产和生活过程中不可缺少的重要组成部分。为了提高系统的社会效益和经济效益，合理地运用变频器，提高水泵的使用寿命、维护产品质量和降低使用成本，对城市供水系统进行优化是势在必行的。
1.原理
图1为变频供水节能曲线。图1中，n、nx、n0为水泵的特性曲线；A0、Ax、A2为管路的特性曲线；H0、H1、H°为水泵供水压力。
（1）水泵出口处的阀门，可以直接控制整个系统的最大用水量。变频驱动的水泵的运行参数如图1所示，当水泵的运行特性在bc之间时，供水管路压力所能保持的扬程在bd之间。因此，水泵全速运行时所消耗的能量为c点与d点之间扬程的差值。
图1 节能分析曲线图
（2）当供水管网中的压力出现波动时，可以通过变频驱动系统将供水管网的压力控制在一个恒定的范围内。用水量由最大值减少到Q1时，供水控制系统通过减慢水泵转速以改变出口压力，但是，在水泵出口压力恒定的情况下，其工况点始终在H°上平行移动，同时水泵自身的运行特性相应地也会发生变化，如图1中曲线nx所示。供水管网的特性也随之发生了相应的变化，其特性曲线如图1中Ax所示，工作在e点，水泵消耗的能量用图1中r1表示。
（3）采用变频驱动的供水系统，将管网最不利点的不变压力定为控制压力。在此情况下，水流量由最高值减小到Q1时，导致水泵转速降低，水泵的特性曲线变为n1，与A0于工作点d相交，通过这种方法能够将水泵的工作点保持在A0附近变化，使管网中的供水压力保持恒定，从而保持系统中水流量的平衡。
通过上述分析可知，采用变频器驱动的供水系统时，不论供水管网中的任意因素发生任何变化，最不利点的水压均能够保持在一个基本稳定的压力，从而为整个供水系统的安全可靠运行提供保障。
变频驱动的供水系统其实质是控制供水管网中的最薄弱环节，通过压力传感器实时监测其压力值，并实时反馈到变频器的控制系统中。控制系统根据该值的变化，经过控制器运算，向变频器发出控制指令，实现水泵电机的自动调速，以保证最不利点的压力保持在所设定的控制范围[1]。
2.系统设计
变频恒压供水系统由CPU、变频器、压力传感器、包含电动机的水泵机组等组成，其供水系统原理如图2所示。
图2 变频供水系统原理图
在系统正常运转的情况下，检测系统会检测到压力的变化，再通过压力传感器传输压力变化信号给CPU。当电脑监测系统检测到管网压力值下降时，CPU会根据实际监测到的压力值与预先在监测系统中设定的阈值相对比，并将其之间的差值转换为调整变频器输出的控制信号发送给变频器。变频器根据CPU发送来的控制指令，实时地调整其输出，从而控制水泵电机的转速，以实现供水压力的调整。从而构成了一个稳定完整的闭环控制系统。
3.应用分析
变频恒压供水系统在高层住宅已有了较为广泛的应用。采用变频恒压供水系统不但可以满足其供水要求，使得此类住宅的用水问题得以解决，而且避免了对生活用水的二次污染[2]。
图3所示为高层的变频恒压供水系统。变频驱动系统为该供水系统的核心，包括变频器、一用一备两台水泵。其控制原理为：根据压力传感器监测到的水压，变频泵进行自调节，这样就可以维持生活用水压力的稳定。高层变频恒压供水有上行下给式和下行上给式两种供水方式，具体采用何种供水方式，应根据用户的实际情况而定。在实际运行过程中，针对高层中的用户反映其水压偏高的问题，为了维持水量在可接受的水量范围内浮动，可在楼层较低的位置安装降压阀，以保证供水的安全稳定[3]。
图3 变频恒压供水系统示意图
3.1 控制系统
高层建筑变频恒压供水系统主要包括现场数据监测部分、变频驱动部分、自动控制部分、上位机显示部分。
3.1.1 现场数据监测部分
现场数据监测部分包括液位监测和供水管网的压力监测。（1）供水管网的压力监测：在供水系统管网的关键部位安装压力传感器，实时监测各部位的供水压力，并将各压力值反馈到PLC。
（2）贮水池液位检测：把浮球液位传感器安装在变频泵的吸水池中，监测贮水池水位的变化。水位不变，显示水泵机组正常工作；贮水池液位低于标准水位时，在不损坏设备的情况下，监测系统把信息反馈到PLC，供水系统立即启动自动保护措施[4]。
3.1.2 变频驱动部分
变频驱动部分由一个电机组带动若干台水泵构成，电机由变频器驱动。管路水流量变化幅度很小时，用水量会根据变频泵的变化而变化；当管路中水流量与泵的频率满足不了需求时，宜改为工频加泵工作。
3.1.3 自动控制部分
自动控制部分由变频器、PLC和电控设备组成。其主要作用是捕捉管路中水流量动态数值，进而使变频器根据所获得的数据进行最合适的运转，以实现供水压力的基本恒定。同时，可大大降低水泵、电机等的磨损，提高经济效益。
3.1.4 上位机显示部分
监控人员通过监控计算机能够在简单地改变压力数值之后改善设备的工作情况，从而达到所要求的水泵工作状态，满足各种供水需求。
3.2 系统循环运行
系统循环运行主要是指系统中的两台泵在变频驱动系统的控制下，能够根据自身的运行时间、运行状态等情况自动进行切换。运行原理简述如下：初始阶段，变频器驱动一台电机带动水泵运行，根据用水量的变化，水泵及其电机在变频器的驱动下实时进行调整，直到达到工频运行时，系统由变频运行切换到工频运行。当管路中水流量不断增加，并且电机工作频率至临界时，水压不足的情况仍然继续时，变频器则开始切换到备用泵，开始双泵供水。相反，如果在双泵供水过程中出现用水量下降，变频驱动的电机和水泵则会相应地降低运行频率，直至供水与用水达到平衡。
对于不同的建筑情况，在设备选型上也应有所不同，当需要提供服务的用户（住户）较少，且昼夜供水量的变动相对较小时，可以选择两台功率较小的泵，互为用备。在高层建筑中，由于变频恒压供水系统供水的楼层较少，可以采取这种方案。
3.3 效益分析
假设建筑物供水系统要求供水恒压为45m水柱高，每天正常工作24h，可选择IS80-50-200型水泵。查手册得，泵供水量Q=58m3/h，N=10.67kW，每天能耗为256.08kW•h。若采用变频恒压供水方式，每天能耗为215.66kW•h，每天可节约能耗40.42kW•h。
4.结语
在水泵供水系统中，传统的操作方式使水泵频繁启动，会造成机械损坏和电能的浪费，而变频恒压给水系统对于保持供水压力恒定不变是一种全新的尝试，在供水系统的规模在不断扩大，复杂性随之提高的情况下有效使用变频恒压，对高层住宅提高经济效益、节能降耗，使供水系统安全、稳定地运行有重要意义。
参考文献：
[1]陈星，甘方成.基于单片机模糊控制技术在恒压供水中的应用[J].科技广场.2004（10）25-26
[2]张德全.英威腾GD200A变频器在远程供水系统中的应用[J].变频器世界.2017（09）85-88
[3]龙飞文.变频器常见问题产生的原因分析及处理方法[J].自动化博览.2005（03）43-44+46
[4]冉隆毅.森兰变频器在循环水供水系统中的应用[J].自动化应用.2012（02）35-36+72
论文作者:郭结好
论文发表刊物:《基层建设》2018年第21期
论文发表时间:2018/8/13
标签：供水系统论文; 水泵论文; 变频器论文; 压力论文; 管网论文; 系统论文; 水压论文; 《基层建设》2018年第21期论文;