关于变频调速给水的基本原理

关于变频调速给水的基本原理目前，变频调速生活给水在建筑给水中应用越来越广，其主要原因是：1、变频调速给水的供水压力可调，可以方便地满足各种供水压力的需要。在设计阶段可以降低对供水压力计算准确度的要求，因为随时可以方便地改变供水压力。但在选泵时应注意，泵的扬程宜大一些，因为变频调速其最大压力受水泵限制。最低使用压力也不应太小，因为水泵不允许在低扬程大流量下长期超负荷工作，否则应加大变频器和水泵电机的容量，以防止发生过载。2、目前，变频器技术已很成熟，在市场上有很多国内外品牌的变频器，这为变频调速供水提供了充份的技术和物质基础。变频器已在国民经济各部门广泛使用。任何品牌的变频器与变频供水控制器配合，即可实现多泵并联恒压供水。因为建筑供水的应用广泛，有些变频器设计生产厂家把变频供水控制器直接做在供水专用变频器中；这种变频器具有可靠性好，使用方便的优点。3、变频调速恒压供水具有优良的节能效果。 由水泵管道供水原理可知，调节供水流量，原则上有二种方法；一是节流调节，开大供水阀，流量上升；关小供水阀，流量下降。调节流量的第二种方法是调速调节，水泵转速升高，供水流量增加；转速下降，流量降低，对于用水流量经常变化的场合（例如生活用水），采用调速调节流量，具有优良的节能效果。我国国家科委和国家经贸委在中国节能技术政策大纲中把泵和风机的调速技术列为国家九五计划重点推广的节能技术项目。应当指出，变频恒压供水节能的效果主要取决于用水流量的变化情况及水泵的合理选配，为了使变频恒压供水具有优良的节能效果，变频恒压供水宜采用多泵并联的供水模式。由多泵并联恒压变频供水理论可知多泵并联恒压供水，只要其中一台泵是变频泵，其余全是工频泵，可以实现恒压变量供水。在变频恒压变量供水当中，变频泵的流量是变化的，当变频泵是各并联泵中最大，即可保证恒压供水。多泵并联恒压供水，在设计上可做到在恒压条件下各工频泵的效率不变（因工况不变），并使之处于高效率区工作，变频泵的流量是变化的，其工作效率随流量而改变。因为采用多泵并联恒压供水，变频泵的功率降低，从而可以降低多泵并联变频恒压供水系统的能耗，改善节能状况。 当多泵并联恒压供水系统采用具有自动睡眠功能的变频器，当用水流量接近于零，变频泵能自动睡眠停泵，从而可以做到不用水时自动停泵而没有能量损耗，具有最佳的节能效果。 多泵并联变频恒压变量供水的工作模式通常是这样的：当用水流量小于一台泵在工频恒压条件下的流量，由一台变频泵调速恒压供水；当用水流量增大，变频泵的转速自动上升；当变频泵的转速上升到工频转速，为用水流量进一步增大，由变频供水控制器控制，自动启动一台工频泵投入，该工频泵提供的流量是恒定的（工频转速恒压下的流量），其余各并联工频泵按相同的原理投入。 在多泵并联变频恒压变量的供水情况下，当用水流量下降，变频调速泵的转速下降（变频器供电频率下降）；当频率下降到零流量的时候，变频供水控制器发出一个指令，自动关闭一台工频泵使之超出并联供水。为了减少工频泵自动投入或超出时的冲击（水力的或电流的冲击）。在投入时，变频泵的转速自动下降，然后慢慢上升以满足恒压供水的要求。在超出时，变频泵的转速应自动上升，然后慢慢下降以满足恒压供水的要求。上述频率自动上升，下降由供水变频控制器控制。 另一种变频供水模式通常叫做恒压变量循环状启动并先开先停的工作模式。在这种供水模式中，当供水流量少于变频泵在恒压工频下的流量时，由变频泵自动调速供水，当用水流量增大，变频泵的转速升高。当变频泵的转速升高到工频转速，由变频供水控制器控制把该台水泵切换到由工频电网直接供电（不通过变频器供电）。变频器则另外启动一台并联泵投入工作。随用水流量增大，其余各并联泵均按上述相同的方式软启动投入。这就是循环软启动投入方式。 当用水流量减少，各并联工频泵按次序关泵超出，并泵超出的顺序按先投入先关泵超出的原则由变频控制器单板计算机控制。 由上述可见，对于变频恒压变量给水通常有两种工作模式，一是变频泵固定方式，二是变频循环软启动工作方式。在变频泵固定方式中，各并联水泵是按工频方式自动投入或超出的。因为变频泵固定不变，当用水流量变化，变频泵始终处于运行状态，因此变频泵的运行时间最长。为了均衡各水泵的运行时间，对于变频泵固定运行方式，可以设计成变频泵定时轮换运行方式。即当某一台变频泵运行一定时间后，由变频控制器控制变频泵自动进行轮换。例如：开始时1泵变频，23泵工频，当1泵变频运行T时间后（T可按序设定）自动轮换为2泵变频，31泵工频；在此状态下运行T时间后自动轮换为3泵变频，12工频，。如此反覆进行定时轮换。 显然，具有变频泵自动轮换控制的变频恒压变量供水系统，变频泵是定时改变的，即任何一台并联泵都有可能成为变频泵。由变频恒压变量供水理论可知，为了保证恒压供水，变频泵必须是各并联泵中的最大者。为此，对于变频恒压供水并变频泵自动定时轮换的水机，各并联水泵的大小应相同以保证恒压供水。 按变频器工作原理，在运行中的变频器不允许在其输出端进行切换；否则在切换过程中会使变频器中的某些电子器件受到大电流冲击而降低其寿命。在变频泵自动轮换过程中，要在变频器的输出端进行切换；为了保护变频器，在进行自动切换之前应使变频器停止运行。在变频器停止运行的条件下，在其输出端进行切换。在切换好后再重新启动变频器而恢复正常运行。因此，自动轮换控制的电路比较复杂，会增加变频控制柜的造价并降低其使用可靠性。 当变频恒压变量供水系统具有变频泵自动轮换功能，其优点是各并联泵可定时轮换到变频运行，使各并联泵的磨损均衡。但是，在任一台泵变频运行时，万一水泵故障有可能使变频器保护跳闸而停止工作。各并联水泵是由变频器控制运行的；当变频器跳闸，必然使所有并联水泵停机而中断供水。 因此，当水泵的可靠性一定，具有自动轮换控制功能的变频恒压供水机的供水可靠性将低于不具备自动轮换控制功能的变频恒压供水机。笔者认为，供水可靠性是主要矛盾。因此我们不主张采用具有自动轮换控制功能的变频恒压给水系统。多泵并联，循环软启动的变频恒压给水系统，同样存在上述变频恒压自动轮换工作模式的缺点。为了保证恒压供水，同样要求各并联泵的大小相同。 综上可述，为保证供水可靠性，笔者不主张采用自动轮换和变频循环软启动的工作模式。清华紫光集团自动化工程部在其ABB恒压供水系统用户手册中说，“循环软启动!这是一个危险的诱惑，很多搞恒压供水的人热衷于发展此项技术，但我们的建议是否定的。”我们赞同清华紫光集团自动化工程部的上述学术见解，不热衷于搞变频循环软启动供水。由水泵管路供水原理可知，当节流损耗等于零，则供水系统具有最佳的节能效果，此时水泵的供水扬程完全消耗在供水高度和供水流阻损失上。这种变频调整供水称为理态的变压变量供水，这种供水系统的扬程流量曲线和管路系统的流阻流量曲线重合。在理想的变压变量供水系统中，在用水点，其扬程恒定，属于恒压供水。在实际建筑中，用水点是多处，不是一处，因此很难确定何处是恒压用水点。变压变量供水系统没有通用性，在工程上很少应用。一种实用的变压变量供水系统叫做准变压变量供水系统；在准变压变量供水系统中，其恒压值随用水流量增加而跃阶上升。例如多泵并联恒压供水，当一台泵工作，其恒压值为P1；当投入一台泵，其恒压值自动变为P1P1；当二、三、四台泵投入，其恒压值分别自动变为P1P1P2，P1P1P2P3，P1P1P2P3P4，。其中P1，P1，P2，P3，P4，可按需要设定；因此，准变压变量系统（设备）的供水特性可以十分接近理想的变压变量供水特性，具有优良的节能效果，这种供水系统（设备）具有通用性。例如国际上著名的ABB供水专用变频器就具有上述的准变压变量供水控制功能。 事实上，在建筑供水当中，准变压变量供水模式也很少应用，因为在实际使用当中，很难给出P1，P2，P3等等的具体参数。变频节能离不开气压罐当变频出色的“变量恒压”功能被人们接受时，“恒压”在生活给水设备的体现越明显。变频给水设备在结构上较多采用“水泵管阀件变频电控柜”的形式。那么，变频给水设备是否需要气压罐作为设备的一部分呢?答案是肯定的。 大家知道，生活用水不比生产用水定时定量，用水变化曲线较大，具有显明的时间段，因此，生活给水设备应具有“多用水、多耗电；少用水、少耗电”的功能。同时变频在正常用水阶段无可争议；用水低潮及夜间用水量很少时，配置气压罐的给水设备可与水泵相互协调，由气压罐进行补充；而无气压罐的变频给水设备依靠水泵低速运转来保证管网恒压，与工频电网驱动水泵运转相比具有节能作用。但“水泵管阀件变频电控柜”的结构形式并不能作到“不用水、不耗电”。因此，这种节能是“假节能。”如何在用水极少的情况下合理的设计能够延长水泵的睡眠时间、降低水泵损耗、延长水泵寿命、最大限度节能应作为设计的重点。因此，本人认为变频给水设备应配置气压罐。气压罐在变频给水设备中到底起什么作用呢?一、气压罐是水泵间息工作的前提条件气压罐利用波义耳(RobertBoyle)气体定律：PV/T=n(P压力，V气压罐气体体积，T温度)；在一定温度下气体压力(P)与容积(V)乘积等于常数的原理，利用水压缩性极小的性质，用外力将水储存在罐内，气体受到压缩压力升高，当外力消失缩气体膨胀可将水排除。众所周知，生活管网末端阀门很难作到滴水不漏，因此，无设置气压罐的给水设备或系统，由管网自身的压力水维持系统压力。由于水的压缩比远远小于气体，当管网有小流量的泄漏可造成压力大幅度的下降，可使水泵频繁启动。如九十年代前，气压罐在生活给水设备的使用比例较大，气压罐缓解了水泵频繁启动，同时在水泵的设置上也有存在大小泵组合，按需启动、协调工作。其合理的解决了水泵供水、缓解水泵频繁启动。由于变频的应用，设备控制水泵因需而供(变量恒压)。零流量时变频控制水泵低速保证管网“恒压”，利用这一点，不再设置气压罐的变频给水设备就必须有一台水泵24小时不停工作或频繁启动来保证管网的压力，因此，气压罐是保证水泵正常休息并延长间息时间的前提。二、气压罐的体积决定了水泵睡眠的时间(a)气压罐体积决定了在一定压力范围内补充管网的水量；在管网泄露流量(L/S)一定的情况下，气压罐的体积大小决定了水泵再启动间息时间的长短，体积越大，间息时间越长；因此，选择体积稍大的气压罐可延长水泵的睡眠时间。(b)正确认识气压罐体积的大小。体积过大的气压罐，也会带来负面影响：增加资金投入、维护不便、充气时间长等。例：生活管网变频恒压值为P1=0.5MPa，压力下限(水泵再启动压力)P2=0.35MPa，在正常情况下，假设管网泄漏5L/h，在夜间水泵停止工作按7h(22:005:00)计算，泄漏为35L，那么，如果气压罐在P1P2=0.15MPa压力范围内的调节水量大于35L，可保证水泵睡眠7小时。因此，选用调节水量在3550L左右的气压罐是比较合适的。如选用调节水量大大超出50L(上述压力范围内)的气压罐，虽然水泵的间息工作时间更长，但超过7小时已经开始进入用水阶段，延长睡眠时间已无意义。与此相比，配套的小气压罐与过大体积气压