變頻調(diào)速給水的基本原理

2012-04-20

變頻調(diào)速給水的基本原理

目前，變頻調(diào)速生活給水在建筑給水中應用越來越廣，其主要原因是：
　　1.變頻調(diào)速給水的供水壓力可調(diào)，可以方便地滿足各種供水壓力的需要。在設(shè)計階段可以降低對供水壓力計算準確度的要求，因為隨時可以方便地改變供水壓力。但在選泵時應注意，泵的揚程宜大一些，因為變頻調(diào)速其壓力受水泵限制。使用壓力也不應太小，因為水泵不允許在低揚程大流量下長期超負荷工作，否則應加大變頻器和水泵電機的容量，以防止發(fā)生過載。
　　2.目前，變頻器技術(shù)已很成熟，在市場上有很多國內(nèi)外品牌的變頻器，這為變頻調(diào)速供水提供了充份的技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。變頻器已在國民經(jīng)濟各部門廣泛使用。任何品牌的變頻器與變頻供水控制器配合，即可實現(xiàn)多泵并聯(lián)恒壓供水。因為建筑供水的應用廣泛，有些變頻器設(shè)計生產(chǎn)廠家把變頻供水控制器直接做在供水專用變頻器中；這種變頻器具有可靠性好，使用方便的優(yōu)點。
　　3.變頻調(diào)速恒壓供水具有優(yōu)良的節(jié)能效果。
　　由水泵－管道供水原理可知，調(diào)節(jié)供水流量，原則上有二種方法；一是節(jié)流調(diào)節(jié)，開大供水閥，流量上升；關(guān)小供水閥，流量下降。調(diào)節(jié)流量的第二種方法是調(diào)速調(diào)節(jié)，水泵轉(zhuǎn)速升高，供水流量增加；轉(zhuǎn)速下降，流量降低，對于用水流量經(jīng) 常變化的場合(例如生活用水)，采用調(diào)速調(diào)節(jié)流量，具有優(yōu)良的節(jié)能效果。我國國家科委和國家經(jīng)貿(mào)委在《中國節(jié)能技術(shù) 政策大綱》中把泵和風機的調(diào)速技術(shù)列為國家九五計劃重點推廣的節(jié)能技術(shù)項目。應當指出，變頻恒壓供水節(jié)能的效果主要取決于用水流量的變化情況及水泵的合理選配，為了使變頻恒壓供水具有優(yōu)良的節(jié)能效果，變頻恒壓供水宜采用多泵并聯(lián)的供水模式。由多泵并聯(lián)恒壓變頻供水理論可知多泵并聯(lián)恒壓供水，只要其中一臺泵是變頻泵，其余全是工頻泵，可以實現(xiàn)恒壓變量供水。在變頻恒壓變量供水當中，變頻泵的流量是變化的，當變頻泵是各并聯(lián)泵中即可保證恒壓供水。多泵并聯(lián)恒壓供水，在設(shè)計上可做到在恒壓條件下各工頻泵的效率不變(因工況不變)，并使之處于高效率區(qū)工作，變頻泵的流量是變化的，其工作效率隨流量而改變。因為采用多泵并聯(lián)恒壓供水，變頻泵的功率降低，從而可以降低多泵并聯(lián)變頻恒壓供水系統(tǒng) 的能耗，改善節(jié)能狀況。
　　當多泵并聯(lián)恒壓供水系統(tǒng)采用具有自動睡眠功能的變頻器，當用水流量接近于零，變頻泵能自動睡眠停泵，從而可以做到不用水時自動停泵而沒有能量損耗，具有節(jié)能效果。
　　多泵并聯(lián)變頻恒壓變量供水的工作模式通常是這樣的：當用水流量小于一臺泵在工頻恒壓條件下的流量，由一臺變頻泵調(diào)速恒壓供水；當用水流量增大，變頻泵的轉(zhuǎn)速自動上升；當變頻泵的轉(zhuǎn)速上升到工頻轉(zhuǎn)速，為用水流量進一步增大，由變頻供水控制器控制，自動啟動一臺工頻泵投入，該工頻泵提供的流量是恒定的(工頻轉(zhuǎn)速恒壓下的流量)，其余各并聯(lián)工頻泵按相同的原理投入。
　　在多泵并聯(lián)變頻恒壓變量的供水情況下，當用水流量下降，變頻調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速下降(變頻器供電頻率下降)；當頻率下降到零流量的時候，變頻供水控制器發(fā)出一個指令，自動關(guān)閉一臺工頻泵使之超出并聯(lián)供水。為了減少工頻泵自動投入或超出時的沖擊(水力的或電流的沖擊)。在投入時，變頻泵的轉(zhuǎn)速自動下降，然后慢慢上升以滿足恒壓供水的要求。在超出時，變頻泵的轉(zhuǎn)速應自動上升，然后慢慢下降以滿足恒壓供水的要求。上述頻率自動上升，下降由供水變頻控制器控制。
　　另一種變頻供水模式通常叫做恒壓變量循環(huán)狀啟動并先開先停的工作模式。在這種供水模式中，當供水流量少于變頻泵在恒壓工頻下的流量時，由變頻泵自動調(diào)速供水，當用水流量增大，變頻泵的轉(zhuǎn)速升高。當變頻泵的轉(zhuǎn)速升高到工頻轉(zhuǎn)速，由變頻供水控制器控制把該臺水泵切換到由工頻電網(wǎng)直接供電(不通過變頻器供電)。變頻器則另外啟動一臺并聯(lián)泵投入工作。隨用水流量增大，其余各并聯(lián)泵均按上述相同的方式軟啟動投入。這就是循環(huán)軟啟動投入方式。
　　當用水流量減少，各并聯(lián)工頻泵按次序關(guān)泵超出，并泵超出的順序按先投入先關(guān)泵超出的原則由變頻控制器單板計算機控制。
　　由上述可見，對于變頻恒壓變量給水通常有兩種工作模式，一是變頻泵固定方式，二是變頻循環(huán)軟啟動工作方式。在變頻泵固定方式中，各并聯(lián)水泵是按工頻方式自動投入或超出的。因為變頻泵固定不變，當用水流量變化，變頻泵始終處于運行狀態(tài)，因此變頻泵的運行時間長。為了均衡各水泵的運行時間，對于變頻泵固定運行方式，可以設(shè)計成變頻泵定時輪換運行方式。即當某一臺變頻泵運行一定時間后，由變頻控制器控制變頻泵自動進行輪換。例如：開始時1泵變頻，2－ 3泵工頻，當1泵變頻運行T時間后(T可按序設(shè)定)自動輪換為2泵變頻，3－1泵工頻；在此狀態(tài)下運行T時間后自動輪換為3泵變頻，1－2工頻，……。如此反覆進行定時輪換。
　　顯然，具有變頻泵自動輪換控制的變頻恒壓變量供水系統(tǒng) ，變頻泵是定時改變的，即任何一臺并聯(lián)泵都有可能成為變頻泵。由變頻恒壓變量供水理論可知，為了保證恒壓供水，變頻泵必須是各并聯(lián)泵。為此，對于變頻恒壓供水并變頻泵自動定時輪換的水機，各并聯(lián)水泵的大小應相同以保證恒壓供水。
　　按變頻器工作原理，在運行中的變頻器不允許在其輸出端進行切換；否則在切換過程中會使變頻器中的某些電子器件受到大電流沖擊而降低其壽命。在變頻泵自動輪換過程中，要在變頻器的輸出端進行切換；為了保護變頻器，在進行自動切換之前應使變頻器停止運行。在變頻器停止運行的條件下，在其輸出端進行切換。在切換好后再重新啟動變頻器而恢復正常運行。因此，自動輪換控制的電路比較復雜，會增加變頻控制柜的造價并降低其使用可靠性。
　　當變頻恒壓變量供水系統(tǒng)具有變頻泵自動輪換功能，其優(yōu) 點是各并聯(lián)泵可定時輪換到變頻運行，使各并聯(lián)泵的磨損均衡。但是，在任一臺泵變頻運行時，萬一水泵故障有可能使變頻器保護跳閘而停止工作。各并聯(lián)水泵是由變頻器控制運行的；當變頻器跳閘，必然使所有并聯(lián)水泵停機而中斷供水。
　　因此，當水泵的可靠性一定，具有自動輪換控制功能的變頻恒壓供水機的供水可靠性將低于不具備自動輪換控制功能的變頻恒壓供水機。筆者認為，供水可靠性是主要矛盾。因此我們不主張采用具有自動輪換控制功能的變頻恒壓給水系統(tǒng)。　　多泵并聯(lián)，循環(huán)軟啟動的變頻恒壓給水系統(tǒng)，同樣存在上述變頻恒壓自動輪換工作模式的缺點。為了保證恒壓供水，同樣要求各并聯(lián)泵的大小相同。
　　綜上可述，為保證供水可靠性，筆者不主張采用自動輪換和變頻循環(huán)軟啟動的工作模式。清華紫光集團自動化工程部在其《ABB恒壓供水系統(tǒng)用戶手冊》中說，“循環(huán)軟啟動!這是一個危險的誘惑，很多搞恒壓供水的人熱衷于發(fā)展此項技術(shù)，但我們的建議是否定的。……”我們贊同清華紫光集團自動化工程部的上述學術(shù)見解，不熱衷于搞變頻循環(huán)軟啟動供水。
　　由水泵－管路供水原理可知，當節(jié)流損耗等于零，則供水系統(tǒng)具有的節(jié)能效果，此時水泵的供水揚程完全消耗在供水高度和供水流阻損失上。這種變頻調(diào)整供水稱為理態(tài)的變壓變量供水，這種供水系統(tǒng)的揚程－流量曲線和管路系統(tǒng)的流阻—流量曲線重合。在理想的變壓變量供水系統(tǒng)中，在用水點，其揚程恒定，屬于恒壓供水。在實際建筑中，用水點是多處，不是一處，因此很難確定何處是恒壓用水點。變壓變量供水系統(tǒng)沒有通用性，在工程上很少應用。一種實用的變壓變量供水系統(tǒng)叫做準變壓變量供水系統(tǒng)；在準變壓變量供水系統(tǒng)中，其恒壓值隨用水流量增加而躍階上升。例如多泵并聯(lián)恒壓供水，當一臺泵工作，其恒壓值為P1；當投入一臺泵，其恒壓值自動變?yōu)镻1＋ΔP1；當二、三、四臺泵投入，其恒壓值分別自動變?yōu)镻1＋ΔP1＋ΔP2，P1＋ΔP1＋ΔP2＋ΔP3，P1＋ΔP1＋Δ P2＋ΔP3＋ΔP4，……。其中P1，ΔP1，ΔP2，ΔP3，ΔP4，…… 可按需要設(shè)定；因此，準變壓變量系統(tǒng)(設(shè)備)的供水特性可以十分接近理想的變壓變量供水特性，具有優(yōu)良的節(jié)能效果，這種供水系統(tǒng)(設(shè)備)具有通用性。例如國際上著名的ABB供水專用變頻器就具有上述的準變壓變量供水控制功能。