变频恒压供水简介

工业之家主讲：雷强YY：115820变频恒压供水简介变频恒压供水简介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0.4MPa左右，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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前言水塔高位水箱1前言1前言(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前言变频器恒压供水系统1.2经济和社会效益比较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）。1前言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1前言•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•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变频恒压供水介绍变频恒压供水系统示例2变频恒压供水介绍众所周知，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%。2变频恒压供水介绍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。2变频恒压供水介绍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。2变频恒压供水介绍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：2变频恒压供水介绍以上介绍可见，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•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。3ATV61变频器在恒压供水中的应用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。3.1ATV61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；3ATV61变频器在恒压供水中的应用3ATV61变频器在恒压供水中的应用•(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ModbusandCANopen。3ATV61变频器在恒压供水中的应用3.2ATV61在恒压供水领域的特殊功能•(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；•(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；3ATV61变频器在恒压供水中的应用3ATV61变频器在恒压供水中的应用•(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。•(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；3ATV61变频器在恒压供水中的应用•(5)监视能耗值功能：本功能可以显示：瞬时输入功率inkW；累积输入能耗kWh；瞬时输出功率inkW；累积输出能耗inkWh。通过在图形终端上客户定制可以计算电能成本3ATV61变频器在恒压供水中的应用•(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。3ATV61变频器在恒压供水中的应用3ATV61变频器在恒压供水中的应用•多泵卡VW3A35023ATV61变频器在恒压供水中的应用3.3ATV61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。3ATV61变频器在恒压供水中的应用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：3ATV61变频器在恒压供水中的应用3ATV61变频器在恒压供水中的应用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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(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4变频恒压供水应用方案举例•4.2.2变频器控制回路4变频恒压供水应用方案举例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•(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