变频器在叠压供水中的应用

    世界能源日趋紧张，如何有效地节约能源是一个摆在人们面前的课题。无负压增压给水设备充分利用自来水管网的原有压力能源，在同样供水需求的情况下，可以选用功率相对较小的水泵及控制设备，同时在夜间小流量用水的情况下利用自来水水压直接供水而无需启动水泵。无负压增压给水设备无需建造水池、水箱，占有空间相对较少，节省设备的初期投资，节省冲洗水池、给水池消毒的费用。该设备为全封闭式结构，真正消除供水二次污染，是绿色环保新型供水设备。目前通用的变频恒压给水，取消了天然水池，减少了水质的二次污染，但兴建和使用地下水池的费用和地下水池对水质的污染也是一个问题。相比较于传统的带水池的供水设备，可节约大量的电能运行成本及投资成本。因此，无负压增压给水设备将是变频供水设备的发展与延伸。    一、国内、外供水现状    随着新技术、新设备的不断应用，到目前为止建筑给水系统供水方案经历了4个阶段。    第1阶段：底部设给水箱、水泵，屋顶设高位水箱的水箱水泵联合供水方式，这种方式应用最早，技术最成熟。在我国早期工程建设中是应用范围最广的一种给水方式。    第2阶段：由于经济的发展，用水量增大，原本能供上水的多层建筑上部出现了水压不够的情况，也就产生了一时颇为流行的气压罐代替屋顶水箱的供水方式，也就是当时所谓的“无塔上水器”。这种方式在新建建筑中并未大范围应用，但在当时的1日项目改造中多有应用。因为在改造项目架设屋顶水箱有难度，在底部架设气压罐较为可行。    第3阶段：变频调速技术的不断改进提高，应用于水泵控制后出现了变频调速水泵替代过去普通水泵、屋顶水箱联合供水的新方式。这种方式由于可以取消屋顶高位水箱，在工程应用中有很大的优势，但由于刚开始变频技术不够完善成熟，变频器易出故障，且造价较高，故在经历了很长时间的改进提高后，近10年才被广泛应用。    第4阶段：给水加压方式在经历了以上发展过程后，在此基础上又改进产生了现在的变频无负压的给水方式。这种加压底部供水方式在建筑应用中不仅可以取消屋顶高位水箱，而且可以省掉底部生活水箱，从而彻底解决因水箱产生的二次污染危害，充分利用城市管网的余压，以达到节能的目的。尤其是这两三年中各水泵厂家都先后开发推出了此类新产品。    二、叠压供水系统组成及原理    针对生活供水属于用水流量经常变化的问题，故采用变频调速供水方案。控制系统的基本策略是：采用可编程控制器和变频器构成的控制系统，对水泵的运行台数和转速进行自动优化控制，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约能耗的目的。变频叠压供水控制系统的原理如图8.12所示。
    图8.12    叠压供水控制系统原理    图8.12中稳流补偿器一端接市水管网，另一端接3台水泵。稳流补偿器是连接在市政管网与水泵进水口之间，能配合真空抑制器消除水泵产生的负压、实现稳定流量和调节流量的密闭容器。真空抑制器安装在稳流补偿器上，通过信号检测系统、微机处理系统和数显系统自动完成真空的检测、处理、控制、执行、数显反馈等功能，抑制稳流补偿器进水口产生负压状态；当市水网管内水压低于设定值时，关闭市水网抽水阀门，打开水箱阀门采用水箱供水；若水箱水位低于某一数值时，打开水箱注水阀门向水箱内注水；若市水网管内水压和水箱水位都较低时，关闭所有阀门，停止供水。系统对3台泵恒压供水的基本控制要求如下。    (1)系统开始供水时，变频运行。    (2)3台水泵根据恒压的需要，采取“先开先停”的原则接入和退出。    (3)在用水量小的情况下，如果一台水泵连续运行时间大于3h，则要切换到下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，可避免某一台水泵过长时间工作。    (4)3台水泵启动时有延时，减小电流过大对其他用电设备的冲击。    (5)需有完善的报警功能。    (6)对电机的操作有手动和自动两种控制功能。    三、系统的软件设计    系统的控制框图如图8.13所示。系统软件设计的思路如下：在用户管道的压力最低点处安装压力检测元件，该压力数值经压力变送器转换为标准信号后送入到PLC模拟量输入通道。PLC将实际输入压力与设定压力相比较得到偏差量，经PID运算后得出工频运行的电机台数和变频运行的电机转速，分别由数字量输出通道和模拟量输出通道送到变频器的输入端。变频器将该信号转换为各电机对应的频率信号后调节电机转速。
    图8.13    系统控制框图    由前述可知，PLC在供水系统中的功能较多，由于模拟量单元及PID调节都需要编制初始化及中断程序，故系统程序可分为主程序、子程序和中断程序。系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，以节省扫描时间；利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制；主程序的功能最多，如泵切换信号的生成、泵组接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等。供水恒压值采用数字方式直接在程序中设定，供水系统设定值为满量程的70%。在系统PID中，只采用比例和积分控制，其回路增益和时间常数可以通过工程计算初步确定，但还需进一步调整以达到最优控制。    程序采用结构化的设计方法，分为系统运行主程序、检测、数字PID控制、水泵的切换控制、压力设定值等几部分。为了提供更好的供水效果，将每天按用水曲线分成几个时段，不同的时段采用不同的压力设定值，程序根据PLC提供的实时时钟自动修改设定值。    因市政管网供水压力波动以及用户用水的不均衡性，会经常性出现因流量变化较大而导致的管网压力波动，叠压供水系统可采用模糊PID控制原理及控制算法来控制水压，能有效防止压力波动及水锤现象的发生；根据历史用水流量数据，监控实时流量，可以有效防止爆管后自来水的流失及流失后对建筑物和家居电器造成的危害；根据具体用户用水要求的不同（扬程及流量），通过人机界面可以方便地对水位的上上限、上限、下限、下下限等相关参数进行现场调整。    四、节能分析    传统设有地下水池的供水系统是将市政管网中10～20m的余压泄为零后再进行二次增压。而管网叠压供水系统可以充分利用市政管网的余压叠加进行供水，较传统的二次增压供水模式可以节能30%～50%，对节约整个城市的供水能耗经济效益明显。按平均利用10m管网压力计算，每1000t/日供水规模，一年就可节约用电约15000kW·h，按1kW·h为0.52～0.86元计算，一年每套设备可以节约资金约1万元。如果全面推广该技术，由此带来的经济效益是无法估量的，因此而产生的社会效益也是非常巨大的。    依靠可编程控制器和变频器，采用模糊PID调节技术，对多台水泵合理调度以实现稳流控制，能有效地减少管网压力波动及水锤的产生。通过叠压技术充分利用管网压力，达到节水、节能的目的，以适应供水行业的发展要求，满足不同建筑给水的需要；通过实时流量与历史用水流量的对比，能够自动判定水管爆裂、管道锈蚀漏水、管道结垢等异常情况，真正消除供水二次污染，是绿色环保新型供水技术。