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变频恒压供水简介


变频恒压供水简介

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三肯

施耐德

爱默生

变频器在恒压供水中的应用
采用变频调速技术的恒压供水设备以 其节能、安全、高品质的供水质量等优点, 使我国供水行业的技术装备水平经历了一 次飞跃。恒压供水调速系统实现水

泵无级 调速, 采用PID调节保持供水系统压力恒 定以满足用水要求。

1 前言
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我们知道,大楼启用最基本的条件就是 要有供水系统。自来水厂通过城市输、配水 管供水,水压一般在2kg/cm2 左右,夜间可 达2.5-2.7kg/cm2,所以五层以下住户直 接使用市政管网正常用水是没有问题的。但 目前城市除了建普通建筑以外,还要建次高 层建筑和高层建筑。相比之下,次高层建筑 (特别是住宅)和高层建筑容积率高,经济 效益大,更得到市场的青睐。而这类建筑的 供水就涉及到供水难的问题。

1 前言
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1.1 常见几种供水方式
一般高层、次高层建筑供水采用以下几种方 式: (1) 水池-水泵-水塔(高位水箱)-用水点 以前的单幢次高层和高层建筑的高压供水区 较多采用该种方案。一般需要设计有一座地下水 池,通过两台水泵(一用一备)抽水送至水塔 (高位水箱),再由其向下供水至各用水点。

1 前言
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水塔

1 前言
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高位水箱

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(2) 水池-水泵(恒压变频)-管网系统-用水点 此方式也是集中供水。对于多幢住宅的建筑 小区,目前较多采用此种供水方案。一般设计有 地下生活水池一座,集中恒压变频供水,不设屋 顶水箱。最不利的用水点是顶层住宅。主水泵一 般有3--4台, 3用一备自动切换,辅助泵为一小流 量泵,夜间用水量小时主泵自动切换到辅助泵, 以维持系统压力基本不变。

1 前言
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变频器恒压 供水系统

1 前言 1.2 经济和社会效益比较

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第一种方式采用传统的水塔、高位 水箱,楼底水泵将蓄水池的用水打到楼 顶水箱,楼顶水箱中的水在利用自身的 重力压到用水管道。这是一个很简单的 供水模式,它最主要的问题就在于水泵 工作时间的控制上面了,刚开始时,专 门安排专职人员开关水泵,没水了开泵, 水满出来了就关泵。这样做不仅麻烦, 还浪费了人力,而且高位水塔的清洗也 成问题。

1 前言
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第二种方式采用变频恒压供水是较为理想和 先进的。首先恒压变频供水保证出水压力不变, 根据用水量大小进行变频供水,既节约电能,又 保证水泵软启动(对电网电压冲击不大),延长 了水泵寿命。各台水泵自动轮换使用,即最先投 入使用的水泵最早退出运行,这样,各台水泵寿 命均等。而且,一旦水泵出现故障,该系统能自 动跳过故障泵运行。还可减少屋顶水箱的二次污 染和保证顶层的供水压力(用热水器压力也没问 题)。

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90年代初,变频器作为一种新兴的电子产品 进入中国大陆,生产厂家和工程应用人员就对它 发生了浓厚的兴趣,它能对电机进行无级调速而 且不改变电机固有的机械特性,在水泵上面的应 用得到了最完美的体现。再加上平衡的软启动特 性,人们开辟了一个崭新变频恒压供水领域。到 了90年代后期,许多地区规定,新建住房上面不 能设有水箱,取消原有的水箱供水方式。至此, 变频恒压供水系统已经完全成熟,被各个建筑开 发商所采用

1 前言
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刚开始变频器只拥有简单的调速功能,而要 恒压就必须要做闭环,也就需要PID调节器。还 需要PLC(可编程控制器)对水泵使用的台数进 行控制,在此情况下,第一,PLC需要专业人员 PLC 进行编程,第二,PID调节器不是很好调整参数, PID效果总是不尽人意,所以刚开始许多一程设 计人员都认为该系统是莫测高深,很难掌握,干 脆就放弃不用,这也是造成该供水方式前期得不 到快速很好发展的主要原因。

1 前言
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?

随后变频器生产厂家开始解决这些问题,把 PID调节器内置到变频器中,而且很好调整,很 多系统的PI参数不用做调整直接使用出厂值就可 以得到很好的稳定效果,接着就把PLC的功能也 PLC 通过各种方式内置到变频器中,有的厂家做成备 选件插卡的模式,有的厂家则直接推出供水的专 用变频器型号,设计使用人员只要设置几个简单 的参数就可以实现控制功能。

2 变频恒压供水介绍
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变频恒压 供水系统 示例

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众所周知,水泵消耗功率与转速的三次方成 正比。即P=Kn3.:P 为水泵消耗功率;n 为水 泵运行时的转速;K 为比例系数。而水泵设计是 按工频运行时设计的,但供水时除高峰外,大部 分时间流量较小,由于控制系统采用了变频技术, 因此可以使水泵运行的转速随流量的变化而变化, 最终达到节能的目的。实践证明,使用变频设备 可使水泵运行平均转速比工频转速降低20%,从 而大大降低能耗,节能率可达20%-40%。

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泵的组合方式一般采用最为常见的多泵并联 的供水模式,这样不但提高供水系统运行调度的 灵活性而且供水的可靠性也会进一步得到保障。 我们的设计思维应该是在保证可靠供水的前提下 再谈节能问题,所以水泵选择一定要设有备用泵, 同时考虑到日后维修方便,尽量采用相同型号的 水泵。在变频器的使用搭配上,采用变频、工频 混合的配置方式应该是较为经济和实用。

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该供水系统变频器的作用是为电机提 供可变频率的电源,实现电机的无级调速, 从而使管网水压连续变化。传感器的任务 是检测管网水压。压力设定单元为系统提 供满足用户需要的水压期望值。

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压力设定信号和压力反馈信号在输入可 编程控制器后,经可编程控制器内部PID 控 制程序的计算,输出给变频器一个转速控 制信号。还有一种办法是将压力设定信号 和压力反馈信号送入PID 回路调节器,由 PID 回路调节器在调节器内部进行运算后, 输入给变频器一个转速调节信号。当然, 随着变频器技术的快速发展,后一种办法 更经济、实用。

下图是施耐德ATV61 变频器的PID 系统工作 原理: 工程公司培训

2 变频恒压供水介绍
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以上介绍可见,变频器作为恒压供水系 统中的核心驱动元件,有着十分重要的作 用,所以在选择变频器的时候,质量和性 能就成为选择变频器非常重要的条件,目 前市场上供水行业应用的主流变频器为欧 美产品,施耐德电气在工业领域有着悠久 的历史, 新研发的ATV61 是风机水泵应用 的最高端产品。

2 变频恒压供水介绍
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下面结合ATV61 变 频器特点来介绍施耐德 变频器在恒压供水中的 应用。

3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用
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ATV61 是针对工业变转矩而于2006 年 3 月推出的一款高性能应用的变频器,功率 范围从 0.75KW 直到 800kW;主要应用于 工业市场的风机、泵和商用建筑热力、通 风、空调暖通(统称HVAC)的专门的风机 泵类的高端应用产品。

3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用
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3.1 ATV61 的基本特点
? (1) 产品开发用于全球市场,符合主要的标 准和国际规范; ? (2) 全中文图形面板,友好的人机界面; ? (3) 操作调试简单,可以采用简单配置的 “简单起动”功能,可很好的控制电机;

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? (4) 集成了大量的专用功能, 以及不同的电机控 制类型,ATV61 主要应用在对节能要求较高的风 机泵类负载上,因此ATV61 专门具有节能控制方 式,可以通过变频器的内部控制(根据负载调整 励磁电流)来实现节能的效果; ? (5) 多种宏配置:包括泵和风机、标准起/停、一 般应用、PID 调节、网络通讯等5 种宏配置; ? (6) ATV61 是一个通讯产品,提供多种协议的选 项,并标准集成 Modbus and CAN open 。

3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用 3.2 ATV61 在恒压供水领域的特殊 功能
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? (1) ATV61 变频器标准内置PID 调节器; 可以直接接受过程控制中传感器的反馈信 号,从而实现过程量的自动控制。此PID 调 节功能可以对预设的给定量进行手动自动设 置,误差求反,对反馈量进行监测,并具有 上下限报警功能;

3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用
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? (2) 限制流量功能: 本功能实现流体的流量限幅,例如在 泵的情况下,为实现需要将变频器的某一 模拟输入设定为外部流量传感器,通过限 制内部速度给定实现流量限制。如果本功 能跟PID 调节器一起使用,限制的将是PID 调节器的输出;

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? (3) 检测过程欠负荷: a. 在空泵或没有灌满水的情况下避免泵的 运行; b. 仅仅当稳态运行的情况下本功能才能有; c. 检测水平, 脱扣延时, 以及停车模式均可 以编程设置。

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? (4) 针对流量的信息具有休眠唤醒功能: 本功能与 PID 调节器结合使用。可以编程 设定变频器在低速运行持续一段时间后停 止调节。当误差或反馈值超过某编程设定 的水平后调节重新启动;

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? (5) 监视能耗值功能: 本功能可以显示:瞬时输入功率in kW;累 积输入能耗 kWh;瞬时输出功率 in kW; 累积输出能耗 in kWh。通过在图形终端上 客户定制可以计算电能成本

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(6) 用传感器检测零流量: 如果过程使用了流量传感器 (有或无): 其输出可 以配置给变频器的逻辑输入,在没有流量的情况 下,变频器自由停车。故障消失后过程重新启动; ? (7) 可以配置专用于恒压供水的多泵卡: 最多可以用一台变频器拖动五台泵,使用此卡可 以使ATV61 的功能更加完善:任何流量下系统中 均保持恒定的压力。通过ATV61 对泵设备进行简 单的设置和诊断。更方便的实现恒压供水,同时, 不必再配置软起来起动辅助泵,为客户节省了成 本。 ?

3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用
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? 多泵卡VW3A3502

3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用
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3.3 ATV61 是一款出色的节能产品
针对风机泵类负载而设计的ATV61 不仅具有传统 的通过频率的调解实现节能的效果,还具有自动 能量优化功能,在整个速度变化范围内,变频器 可以根据负载的轻重, 自动调节V/F 曲线,从而 优化磁通和激磁电流,达到最佳节能的目的。同 时通过载波频率的自动调节也可以达到节能的效 果。

3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用
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节能分析: 从流体力学角度去考虑,可将 风机、泵等流体机械看成平方转矩负载, 其主轴转速n 与流量Q,压力P 以及轴功率 W近似具有如下关系: Q∝n;P∝n2; W∝n3; 即,流量与转速成正比,压力与 转速的平方成正比,功率与转速的立方成 正比,假设某水泵的额定转速为n0,阀门 全开时管阻特性为R,压力为P,出口流量 为Q,流量-转速-压力的关系曲线如下图:

3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用
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3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用
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变频器能根据水泵负载变化随之调节电机 的转速,在满足系统正常工作情况下使泵 作出相应调节,以达到节能的目的。

4 变频恒压供水应用方案举例
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某建筑项目,商业和住宅共用,M楼层, 建筑高度Nm,需设计供水系统,保证用水 高峰期间,顶楼的用户能照常用水,并注 意节能和系统成本的最优化, 采用变频恒 压供水系统设计此项目。

4 变频恒压供水应用方案举例
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4.1 设计思路及元件选择 在变频泵系统中,设计时应按以下步骤进行: (1) 管网系统设计,计算管网的阻力。 (2) 选择压差控制点,不同的压差控制点对应不同 的设备初 投资和管网运行费用, 应按技术经 济分析进行选择。 (3) 选择主循环泵:主循环泵的选择考虑两方面: A:流量要求,应能提供管网的全部循环流量; B: 扬程要求,应满足热源到压差控制点间管网阻力。

4 变频恒压供水应用方案举例
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(4) 分布泵的选择,主要考虑满足其所服务 用户的阻力和流量。 (5) 变频器的选择,在满足系统运行要求的 前提下,按照驱动泵的电机的功率选择变 频器的功率,同时配上多泵卡。 4.2 变频器恒压供水系统 ? 4.2.1 变频器主回路如下图

4 变频恒压供水应用方案举例
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4 变频恒压供水应用方案举例
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? 4.2.2 变频器控制回路

4 变频恒压供水应用方案举例
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4.2.3 运行方式:该系统有手动和自动两种 运行方式: ? (1) 手动运行 按下手动按钮启动或停止水泵,可根据 需要分别控制1#-5#泵的启停。该方式主要 供检修及变频器故障时用。

4 变频恒压供水应用方案举例
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? (2) 自动运行
合上自动开关后,1#泵电机通电,变频器输 出频率从0Hz 上升,同时PID 调节器接收到自压 力传感器的标准信号,经运算与给定压力参数进 行比较,将调节参数送给变频器,如压力不够, 则频率上升到50Hz,1#泵由变频切换为工频,启 动2#泵变频运行,变频器输出频率逐渐上升至给 定值,加泵依次类推;如用水量减小,则执行减 泵程序。同时根据PID 调节器给的调节参数使系 统平稳运行。

4 变频恒压供水应用方案举例
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减泵过程;假如这时5 台泵都已投入运 行,5#泵变频运行降到下限频率,此时水 压仍处于上限值,则延时一段时间后使5# 泵停止,4#转为变频运行,经过一段时间 后水压仍处于上限值,4#泵运行在下限频 4# 率,则延时一段时间后使4#泵停止,依此 类推。

4 变频恒压供水应用方案举例
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4.2.4 故障处理和维护
(1) 故障报警
当出现缺相、变频器故障、液位下限、 超压、差压等情况时,系统皆能发出声响报 警信号;特别是当出现缺相、变频器故障、 液位下限、超压时,系统还会自动停机,并 发出声响报警信号,通知维修人员前来维修。 此外,变频器故障时,系统自动停机,此时 可切换至手动方式保证系统不间断供水。

4 变频恒压供水应用方案举例
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(2) 水泵维护 为维护和检修水泵,要求在系统正常供 水状态下,在一段时间间隔内使某一台水 泵停运,而此系统配有多泵卡,可检测并 存储每台泵运行时间,起动时运行时间最 短的泵先运行,做到各台泵的负荷率基本 一致。

4 变频恒压供水应用方案举例
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此系统的运行,有效地减少泵的频繁启 停,同时在实际管网对水压波动做出反应 之前,由变频器迅速调节,使水压平稳过 渡,从而有效的避免了高楼用户短时间停 水的情况发生。

4 变频恒压供水应用方案举例
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以往的变频恒压供水系统在水压高时,通常 是采用停变频泵,再将变频器以工频运行方式切 换到正在以工频运行的泵上进行调节。这种切换 的方式理论上要比直接切工频的方式先进,但其 容易引起泵组的频繁启停,从而减少设备的使用 寿命。而在该系统中,直接停工频泵,同时由变 频器迅速调节,只要参数设置合适,即可实现泵 组的无冲击切换,使水压过渡平稳,有效的防止 了水压的大范围波动及水压太低时的短时缺水现 象,提高了供水品质。

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注意事项
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要使系统稳定的运行,ATV61 变频器 需要对某些参数进行调整。涉及到的PID 调 节参数在菜单1.7 (应用功能)的部分和 1.14(多泵卡)中。

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注意事项
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? 5.1 PID 比例增益rPG、积分增益rlG、微 分增益rdG 此设置此是为了确保在运行过程中系统 的稳定性,防止因泵的切换和反馈的压力 值突变,引发系统剧烈震荡,使系统能平 稳快速的响应外界压力的变化。各参数对 系统的影响见下图。

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注意事项
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注意事项
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? 5.2 泵起动前延时(pump delay on)和停泵 延时(pump delay off) 此两个参数时间为必需,以避免瞬时压 力波动的影响,从而防止颤动(泵的起动/ 停机)。

6 结束语
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新型变频恒压供水方式与过去的水塔 或高位水箱相比,不论是设备的投资,运 行的经济性,还是系统的稳定性、可靠性、 自动化程度等方面都具有无法比拟的优势, 而且具有显著的节能效果。恒压供水调速 系统的这些优越性,引起国内几乎所有供 水设备厂家的高度重视,并不断投入开发、 生产这一高新技术产品。

6 结束语
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在短短的几年内,调速恒压供水系统经 历了一个逐步完善的发展过程,早期的单 泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。 虽然单泵产品系统设计简易可靠,但由于 单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效 率低,而多泵型产品投资更为节省,运行 效率高,被实际证明是最优的系统设计, 将很快发展成为主导产品。


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