高层的变频恒压供水系统

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1、变频器对高层住宅小区供水系统的改造*【摘要】：通过变频器对高层住宅小区供水系统的改造，阐述小区变频恒压 供水系统基本构成、控制要点、变频器运行参数设置要点及小区变频恒压供 水系统的节能优点。【关键词】：变频器、多泵、恒压、高层供水、改造。概述：面对人们生活质量的日渐提高，人们生活用水已成为关系千家万 户的大事。而住宅小区对供水系统有着生产安全和供水质量及供水压水的特 殊要求。长期以来，区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或 天面水池来满足用户对供水压力的要求，由于小区用水随季节和时段有着明 显的变化（而常规加压水泵均工作在额定负荷下，出水口的余压造成大量能 源的浪费，而且存在着水池“

2、二次污染”的问题）。我小区（锦绣柠溪）一期 工程中也属于这种传统的供水模式。为了解决污染及能耗问题，保证用户供 水压力，我公司决定对供水系统实施改造。而我身为锦绣柠溪的机电主任,作为技术骨干参与此次工程。 水箱安装在楼顶，2.3层米用市政直供水，4.17层采用三台功率为 11KW扬程75米的水泵从地下水池向楼顶水池泵水，再由楼顶水池 向各用户供水，详见上图。正文一、改造前本小区的供水系统楼顶水池地卜水池HXMSHXH-IXH-MM图（1） 改造前供水流程图7层本小区一期工程共有10栋住宅，每栋17层,第1页共12页加压控制电路如下图图（2）改造前电气控制图1、由图可见，加压水泵采用直接启动、直

3、接停止的控制方式。由于水变频器对高层住宅小区供水系统的改造 锤效应造成供水管网及接头处经常爆裂。同时电机的直接启动和停止对电网也 造成很大的冲击。2、天面水池利用水的势能自然流动，压力来自水位面与用户水龙头的 高度差值，而水泵是间歇工作的，当水位达到上限，水泵就停止工作，水位 降低到下限时再度启动，出水口的余压将产生能量的浪费。同时电动机的频 繁起动和停止对电机及电控设备也造成一定的损坏。并且由于用户用水量的 变化，使高层用户的用水压力产生波动，经常发生由于用水量过大而使热水 器无法打火。3、由于天面水池水位面与大气连通，容易滋生细菌，卫生条件不好。根据水泵二次方律转矩负载的特性，使用变频调速

4、技术能够大量节能， 所以我利用变频器对供水系统进行改造，因供水管是封闭的，卫生条件好， 出口压力是恒定的，同时又能保证高层用户用水压力的稳定。二、改造过程1、供水方案的选择目前，针对恒压供水的设备柜主要有四类：（1）逻辑电子电路控制方式，这类控制电路难以实现水泵组全部变频起 动，全流量变频调节，其控制精度较低，水泵切换时水压波动大，调试麻烦。（2）单片机电路控制方式，此类电路在应付不同管网、不同供水情况时 调试麻烦，追加功能时往往要对电路进行修改，电路的可靠性和抗干扰能力 不高。（3）带PID回路调节+PLC的控制方式，此类电路的成本较高。（4）新型的专用变频调速供水设备，此类供水专用变频器是

5、集供水控制 和供水管理一体化的系统，内置供水专用PID调节器，系统的调试非常简单、方便。同时，它把通用变频器的功能进行增删组合，其价格也较低廉。基于上述分析，我采用专用变频恒压供水设备，对小区供水系统进行改造。2、系统供水运行方式的选择多泵共母管恒压供水系统有两种基本运行方式：即变频泵固定方式和 变频泵循环方式。变频泵固定方式：将系统中任意一台泵固定为变频泵，其余均为工频泵, 当变频器检测到管网压力低于设定的下限压力值时，变频器PID开始调节， 当运行频率达到上限频率时，如果上限压力与当前压力之差大于设定的压力 允许偏差值，且大于设定的延时时间后，变频器自动检测，将一台工频泵投 入运行，以此类

6、推；若流量过大，则利用下限频率去停止工频泵。变频泵循环方式：所有的泵都既可以工频运行又可以连接到变频器上， 最初变频器带动一台泵运行，输出频率达到上限时将该泵切换到工频电源恒 速运行，变频器则连接到第二台泵上，带动其进行调速运行，依此类推。流 量过大时，根据输出频率达到下限的信号按照起动顺序依次切除恒速运行的 泵就可以了。变频泵循环方式的缺点是切换控制复杂，切换顺序不能出错，否则变频 器很可能会受到损坏。变频泵循环方式的优点有两个：一个是循环运行方式有利于各水泵的机 械磨损均匀，使用寿命彼此相当；另一个是利用变频器实现了水泵的软起动, 降低了对电网的冲击。基于变频泵循环方式的优点，在本系统中我

7、采用此种方案。两种方案的主电路单线图如下A图变频泵固定方式变频器B图变频泵循环方式变频器IW图（3）恒压供水主电路接线原理图从图中可见，变频泵循环方式存在切换问题，因此，控制要点就是保证 正确的切换动作顺序。同时，由于小区用水量随时间和季节有着明显的变化，特别在夜间，几 乎不用水，但又需要继续保持压力，以便偶尔用水，如夜间如厕冲水。所以 需要设置一个“睡眠”功能。3、变频器的选择变频器的选择应根据实际工程情况，以适当的方法选择规格很重要。笼 统地认为放大一级功率选择变频器总是没错的想法，但多数情况会造成投资 浪费，个别情况下又不能满足应用需要。因水泵属于二次方转矩负载，一般可以直接按照标称功率

8、作为最终选择 依据，并且不必放大，这是因为二次方转矩负载的定子电流对于频率敏感， 当发现实际电动机电流超过变频器额定电流时，只要将频率上限限制小一点, 这样就不会造成保护动作，而最大流量的降低却很有限，对应用影响不大。恒压供水系统中水泵有全速运行的可能，选择变频器时，可按电动机的 额定电流增加一定的裕量来确定变频器的额定电流，一般可取为1.051.15, 多数情况下可取小值，起动停止频繁的时候，应该考虑取大值。这是因为起变频器对高层住宅小区供水系统的改造 动过程以及制动电路的停止过程电流会短时超过定额电流。在本系统中，电机额定电流为22A,即变频器额定电流不小于23Ao目 前，市场变频器的种类

9、繁多，我通过查阅大量资料，确定惠丰W500系列多 泵供水专用变频器，此变频器品质高、功能多、噪音低。内置专用PID调节 器设计，可以满足高精度的控制要求。另外，多种异常信息指示及故障排除 功能保证了系统运行的可靠性，配置专用恒压供水控制板（IWS）,可以直接 控制多台水泵，实现功能强大且成本较低的恒压供水控制。其体积小，调试 也简单。故参照W500样本选择型号W500-0110T3C。该变频器的额定电流为 23A,适配电动机功率为11KW,故符合要求。本小区地下水池距楼顶高度为：3m+5m+3mX 16+lm=57m,其中3m为压 力表的标高，5m为首层架空层高度，Im为水龙头离地高度。根据实

10、践证明: 垂直高度每提升Im,水压压差为O.OIMpa,保留最顶层用户的用水压力为 O.15Mpa,则得出：控制压力的目标值为0.72Mpa而此压力对低层用户而言, 其用水压力过大。所以需设定一个减压阀，本小区2.3层为市政直供水，因此 在4层须设置两条供水管，一条供9.17层用户；另一条则经减压阀减压后供 4.8层用户。因第8层楼高为5m+3m+3mX7+lm=29m,故经减压阀减压后供 水管网压力为0.44Mpa。5、恒压供水变频调速控制系统的工作原理系统采用压力闭环调节方式，利用设置在管网上的压力传感器将管网系统 内因用水量的变化引起的水压变化，及时反馈给PID调节器，PID调节器对 比

11、设定控制压力进行运算后给出相应的变频指令，改变水泵的运行转速，使 得管网水压与控制压力一致。详见图（4）所示。电控柜中电控设备；3号泵至用户管网1号泵2号泵目标信号压力变送器图(4)共母管恒压供水控制系构成图(PID内置)压力传感器选用量程为(01.6Mpa)的压力变送器，抗干扰能力强。它能 将压力的变化情况转换成标准的4-20111A电流信号输出。供水工作过程：当变频器检测到管网低于设定的下限压力值时，变频器 开始PID调节。当运行频率达到上限频率后，如果上限压力与当前压力之差 大于允许偏差值，将该泵切换到工频运行，然后变频器切换到下一台泵上进 行PID调节。当变频器检测到管网压力高于设定的

12、上限值时，PID调节使频率下降，当 运行频率降低到适时设定的等待时间后，按照先开先关的顺序将最先切换到 工频运行的泵切掉，接着变频器立即运行到上限频率，以补充切掉工频泵后, 管网可能产生的压力波动，然后变频器根据管网压力情况继续进行PID调节。 系统电气控制原理见下图图（5）变频恒压供水系统电气控制原理图电路说明：该变频器具有恒压供水控制扩展口，配置恒压供水控制板 （IWS）,就可以直接控制多台水泵，可以选择自动和手动两种控制方式。自锁、互锁及防锈保护：电路中采用了三个自锁接点KM1、KM3、KM5, 它们分别与SB1、SB3、SB5并联。每一路变频自动控制接触器（KMO、KM2、 KM4）都

13、设有三个互锁接点，保证只有一台电动机在变频器控制下工作。电 路中采用了三只中间继电器K1-K3,由它们完成从变频到工频的自动切换。此电路保证最先启动的电动机最先停止，设备依次循环启动、停止，不会 出现某台设备长期工作，而其他设备闲置锈死的现象，而且所有的电动机均 可以通过变频器软启动，减少了电动机启动时对电网的冲击。系统的压力可 以用电位器设定，也可以通过参数给定。当变频器出现故障报警时，系统能 自动切换到工频运行状态，避免断水。三、改造后的恒压供水系统图（6）水泵房平面图代码功能名称设定值说明F1最大工作频率49Hz该值是变频器变频/工频切换的频率F2最小工作频率30Hz它是开始出水时的频率

14、点，又是保证水泵不会 空转和停止工频泵的依据F8变频器停车判断时间100S当变频器只在变频泵工作，并运行在最小频率 时，延时100S后变频器会自由停车。F9继电器切换 时间IS该时间是指将电机从变频切换到工频所需时 间，为了防止由于继电器动作的延迟而使变频 器输出与工频电源发生短路。F45反馈模式选择0o负反馈；1正反馈。F53压力表量程1.60MPa压力变送器的量程F54压力上限0.72MPa该设定值是管网压力控制的基准值F57压力下限0.57MPa指当管网压力达到该设定值时变频器开始PID调节。F58极限压力1.50MPa该值根据管网承受的最大压力而设定，系统运 行中由于故障的原因，当管网

15、压力达到极限压 力时，变频器将发生自由停车，防止管网因过 高压力而爆破。F70PID控制1表示有效!1!、参数的设置其余参数均使用默认值【效果分析】1、高效节能：由于离心式水泵属于二次方律负载，此类负载在变频调 速时能够大量节省能源。根据我对改造前后所运行的数据统计显示，节能效 果高达30%以上。详见附表项 目改造前改造后2 003 年2004 年月 份45674567用水量49145086543261045473598661056537用电量48364846526058133736408641674358加压电费30423102331436622353257426252746折合单价0.62

16、0.610.610.600.430.430.430.42注：电费按0.63元/度计算2、变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可大范围内变 量，从而保证用户任何时候的用水压力恒定。3、系统实行闭环供水，避免了用水的二次污染。4、延长了设备的使用寿命，减少了设备的维修量和维护费用，同时使 用变频器的软启动功能，对电机、电网的冲击大为减少。【结束语】随着科学技术的发展，高科技产品的日新月异，变频调速技术 也有了进一步的完善和成熟，在大力倡导节能、环保的今天，变频 调速技术也将有着更广阔的前景。在撰写本文过程中，得到珠海市综合性职业培训中心的教师 及专家的有益指导，并对本文的修改提供了宝贵意见；在此次项目 改造中，得到了公司领导及同行的支持和帮助，谨此表示致谢。由于本人水平和经验有限，文中难免有错漏及不足之处，恳 请各位专家、教授批评指正。【参考文献及资料】变频调速系统设计与应用 王树 编著特种变频器实用手册 任国雄 任致程 编著惠丰W500变频器使用手册