冉晟伊　熊于菽

[摘要]傳統(tǒng)的供水方式存在較大弊端，引入先進(jìn)交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)來(lái)實(shí)施恒壓供水，在提高供水質(zhì)量，保持供水和用水之間的平衡以及節(jié)能方面都具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

[關(guān)鍵詞]變頻調(diào)速 恒壓供水系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0310128－01

在日常生活和生產(chǎn)當(dāng)中，用戶的用水量經(jīng)常變動(dòng)的，供水不足或供水過(guò)剩的情況時(shí)有發(fā)生。有時(shí)，甚至嚴(yán)重影響了我們的正常生產(chǎn)和生活。比如，在有些生產(chǎn)當(dāng)中，供水不足可能會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量的下降，短時(shí)斷水甚至?xí)p壞設(shè)備。發(fā)生火情時(shí)，消防設(shè)備如果得不到足夠的供水，會(huì)引起較大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。造成這種用水和供水之間不平衡問(wèn)題的原因有多方面，但都集中反映在供水的壓力上。即用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。如何提高供水質(zhì)量，保持供水和用水之間的平衡。實(shí)現(xiàn)供水水壓的恒定，成為了關(guān)鍵所在。一個(gè)高質(zhì)量的供水系統(tǒng)，它的供水量是根據(jù)用水量的變化而變化的，用水多時(shí)供水也多，用水少時(shí)供水也少。

一、幾種傳統(tǒng)的供水方式

目前傳統(tǒng)上常用的供水方式有水塔供水、高位水箱及地面氣壓供水等。水塔和高位水箱是蓄水設(shè)施，屬于非匹配式供水，水泵的供水量總是大于系統(tǒng)的用水量。它們都必須由水泵以高出實(shí)際用水高度的壓力來(lái)“提升”水量。當(dāng)水塔和高位水箱中的水處于高位時(shí)，水泵停止工作；水位降低時(shí)，則啟動(dòng)水泵進(jìn)行蓄水。供水運(yùn)行控制就是采用水泵的運(yùn)行方式調(diào)整，加上出口閥開(kāi)度調(diào)節(jié)供水的水量水壓的方式。水塔和高位水箱的供水方式存在較大不足：首先，水塔和高位水箱要占用建筑空間，還要考慮它們的承重和后期的清理、消毒、維護(hù)等問(wèn)題；其次，水塔和高位水箱只能人為觀測(cè)水壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，大量能量因消耗在出口閥而浪費(fèi)，在無(wú)人值守時(shí)總要開(kāi)啟一個(gè)水泵運(yùn)行，造成不必要的電耗。這種供水方式經(jīng)常出現(xiàn)水壓不穩(wěn)，要么水量不足，要么管網(wǎng)破裂。

氣壓供水屬于匹配式供水，它是利用氣體的可壓縮性原理，在水泵直接供水的系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)與水泵供水管網(wǎng)串接的密閉氣壓罐，利用氣壓罐內(nèi)的壓力變化自動(dòng)控制水泵的啟動(dòng)與停止。這樣，供水量可以適應(yīng)用水量的變化而變化，保持一定的壓力對(duì)管網(wǎng)自動(dòng)持續(xù)供水。氣壓供水靈活性大，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。但由于氣壓罐安裝有控制閥、安全閥、排氣閥、壓力表、水位表等配件，使氣壓罐做到完全氣密是不可能的。有時(shí)，氣壓罐一夜之間漏失的氣量可占儲(chǔ)氣量的60%～80%甚至更多。泄壓使水泵短時(shí)間反復(fù)啟動(dòng)，直接影響了整個(gè)供水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

二、變頻恒壓供水方式

自從通用變頻器問(wèn)世以來(lái)，變頻調(diào)速技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，技術(shù)日臻完善。變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，使我國(guó)供水行業(yè)的技術(shù)裝備水平從90年代初開(kāi)始經(jīng)歷了一次飛躍，取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設(shè)備。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。它起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長(zhǎng)泵和閥門等部件的使用壽命；此外，還可以消除起動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)。

目前，大多數(shù)供水系統(tǒng)采用的是比較先進(jìn)的單臺(tái)變頻器控制多臺(tái)水泵的變頻恒壓控制方式。通常是由水源、2個(gè)離心泵、壓力傳感器、PID調(diào)節(jié)器、變頻器、可編程控制器（PLC）、管網(wǎng)組成。其原理圖如下：

根據(jù)系統(tǒng)用水量的變化，控制系統(tǒng)控制兩臺(tái)水泵按照1-2-3-4-1的順序運(yùn)行，以保證正常供水。如果剛開(kāi)始系統(tǒng)用水量不大，可控制1號(hào)泵在變頻狀態(tài)下運(yùn)行，2號(hào)泵處于停止?fàn)顟B(tài)，如圖的狀態(tài)1。當(dāng)用水量增加，變頻器輸出頻率增加，1號(hào)泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速也增加。當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到最大時(shí)，單獨(dú)1臺(tái)水泵工作已經(jīng)不能滿足供水要求。此時(shí)，控制系統(tǒng)將1號(hào)泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的交流電源，而將2號(hào)泵接變頻器電源起動(dòng)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)2。

當(dāng)系統(tǒng)用水高峰過(guò)去后，用水量逐漸減少，變頻器輸出頻率減少。若減至設(shè)定頻率時(shí)，表示只要1臺(tái)水泵就能滿足供水要求了。此時(shí)，可將1號(hào)泵停止，僅讓2號(hào)泵在變頻狀態(tài)下運(yùn)行。如圖狀態(tài)3所示。如果以后用水量再次增加，變頻器輸出頻率增加，2號(hào)泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速也增加。當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到最大時(shí)，表示單獨(dú)1臺(tái)水泵工作已經(jīng)不能滿足供水要求。此時(shí)，將2號(hào)泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的交流電源，而將1號(hào)泵接變頻器電源起動(dòng)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)4。而此后如果用水量減少，則系統(tǒng)將回到狀態(tài)1。如此循環(huán)往復(fù)，以滿足系統(tǒng)用水的要求。

變頻恒壓供水系統(tǒng)工作時(shí)，關(guān)鍵是保持水壓的恒定，因此就必須引入水壓反饋值與給定值比較，從而形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)。根據(jù)被控制系統(tǒng)的非線性、大慣性的特點(diǎn)，采用模糊控制和PID相結(jié)合的方法，在壓力波動(dòng)較大時(shí)使用模糊控制，以加快響應(yīng)速度；在壓力范圍較小時(shí)采用PID來(lái)保持靜態(tài)精度。這些可以通過(guò)PLC加智能儀表可以實(shí)現(xiàn)其算法，并控制水泵的工頻與變頻之間的切換。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，用戶用水管網(wǎng)上的壓力傳感器對(duì)用戶的用水水壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，并將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳輸至PID調(diào)節(jié)器，然后與用戶設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較和運(yùn)算，并將比較和運(yùn)算的結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號(hào)和水泵啟動(dòng)臺(tái)數(shù)信號(hào)分別送至變頻器和可編程控制器（PLC）；變頻器據(jù)此調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的電源頻率，進(jìn)而調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速；可編程控制器械則根據(jù)PID調(diào)節(jié)器傳輸過(guò)來(lái)的水泵啟動(dòng)臺(tái)數(shù)信號(hào)控制水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。就這樣，通過(guò)對(duì)水泵的啟動(dòng)和停止臺(tái)數(shù)及其中變頻泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，將用戶管網(wǎng)中的水壓恒穩(wěn)于用戶預(yù)先設(shè)計(jì)的壓力值，使水泵組供應(yīng)的水量與用戶管網(wǎng)不斷變化的用水量保持一致，達(dá)到“變頻恒壓供水”的目的。

為了應(yīng)對(duì)系統(tǒng)在供水過(guò)程中變頻器出現(xiàn)故障的情況，應(yīng)設(shè)計(jì)及時(shí)報(bào)警裝置，并使由變頻器供電的水泵改由普通交流電源供電，使水泵全速運(yùn)行。不過(guò)這樣就要考慮到整個(gè)用水系統(tǒng)管網(wǎng)的耐壓能力，盡量選用流量揚(yáng)程曲線平緩型的水泵，使其能夠承受水泵全速運(yùn)行時(shí)的全揚(yáng)程水壓。另外，PID調(diào)節(jié)器及可編程序控制器對(duì)多臺(tái)水泵進(jìn)行控制時(shí)，應(yīng)把握“先起動(dòng)先停止，后起動(dòng)后停止”的原則，使水泵能循環(huán)運(yùn)行，每一臺(tái)的運(yùn)行概率相同，避免出現(xiàn)某臺(tái)水泵經(jīng)常運(yùn)行，而其他水泵經(jīng)常停歇的情況。

三、結(jié)束語(yǔ)

變頻恒壓供水方式與傳統(tǒng)的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設(shè)備的投資，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面都具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，而且具有顯著的節(jié)能效果。有資料統(tǒng)計(jì)，變頻恒壓供水供水系統(tǒng)與理想水塔供水系統(tǒng)相比多耗電6%，與氣壓供水系統(tǒng)相比，節(jié)電14%，而總的供水設(shè)備的消耗減少90%以上，約兩年就可收回投資。變頻恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)的這些優(yōu)越性，必將引起國(guó)內(nèi)外供水設(shè)備廠家的高度重視，并不斷投入開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)這一領(lǐng)域的高新技術(shù)產(chǎn)品，向著高可靠性、全數(shù)字化微機(jī)控制，多品種系列化的方向快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]周紹英，交流調(diào)速系統(tǒng)，機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[2]宋書(shū)中，交流調(diào)速系統(tǒng)，機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[3]曹承志，電機(jī)拖動(dòng)與控制，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[4]張少軍、杜金城，交流調(diào)速原理及應(yīng)用，中國(guó)電力出版社，2003.