常用供水工藝：

水箱/水塔供水：重力供水。

特點：供水壓力比例恒定，有儲水；

缺點：要建水塔或水箱，面積大，不美觀等。

氣壓供水：管道加壓。

特點：靈活，建設快，無污染，改變壓力罐，壓力來改變供水壓力；

缺點：需要壓力罐，投資大，壓力變化大，運行效率低，能耗大。

壓力水罐供水：潛水泵打水到水罐，加壓，進行供水。

變頻恒壓供水：

恒壓要求：隨供用水量等參數變化，保持供水壓力不變；恒壓供水控制系統(tǒng)構成：變頻器，PLC，電控器件。

主要應用場合：高層建筑，居民小區(qū)，企事業(yè)等用水，工業(yè)需要恒壓供水，冷卻水循環(huán)，熱力水循環(huán)，鍋爐補水等。

中央空調系統(tǒng)，自來水廠增壓系統(tǒng)，農田灌溉，污水處理，人造噴泉，各種流體恒壓控制系統(tǒng)。

水泵機械特性：

水泵供水基本模型及參數：

流量，m3/S；揚程，M；全揚程，M；實際揚程，M；損失揚程，M；管阻；壓力。

供水系統(tǒng)特性：

管阻特性：流量越大，揚程越大，曲線1；

揚程特性：流量越大，系統(tǒng)揚程越小，曲線2；

系統(tǒng)工作點：

揚程曲線和管阻曲線的交點，供水工作點，A；

閥門開度100%，轉速100%，額定工作點，自然工作點；

供水功率：PG=CPHTQ

Cp為比例常數；

供水系統(tǒng)的額定功率與面積ODAG成正比。

節(jié)能原理：

調節(jié)流量：

閥門控制法：泵供水能力不變，改變管阻力來改變供水量；管阻特性隨閥門開度改變而改變，揚程特性不變。流量從QA→QB，管阻曲線從2→3，供水功率與面積OEBF正比。

轉速控制法：改變泵的揚程來適應用戶對流量的要求；

泵轉速改變，揚程特性改變，管阻特性不變。

流量從QA→QB，管阻曲線從1→4，供水功率與面積OECH正比。

節(jié)能理解：供水功率的比較；

節(jié)約的功率與HCBF成正比。

泵的工作效率的比較：

Y=C1(Q/N)-C2(Q/N)

C1、C2為常數。

電動機效率的比較：裕量大，效率和功率低；低頻低壓，提高效率。

根據水泵流量Q，揚程H，功率P和轉速N之間的關系：

Q1/Q2＝n1/n2；

H1/H2＝(n1/n2)2；

P1/P2＝(n1/n2)3

可知：流量Q與轉速N的一次方成正比；揚程H與與轉速N成平方比；而功率P與轉速N成立方比。

若轉速下降20%，則軸功率對應下降49%，由此可見，采用變頻調速可以大幅降低電機的電耗。

變頻調速恒壓供水系統(tǒng)：

恒壓供水的目的：滿足用戶對流量的需求。流量為供水系統(tǒng)的基本控制對象；管道供水壓力，作為控制流量大小的參變量；利用變頻器內部PID調節(jié)壓力。

多臺水泵變頻調速時的切換控制：

多臺水泵同時供水，多用多開，少用少開：1控1；2控3；2控4；3控5；1控X。

1控X切換過程分析：

電磁過渡過程：發(fā)電狀態(tài)。

定子繞組電動勢在不同時刻的計算數據，如下表：

拖動系統(tǒng)制動過程：

自由制動轉速，Nt=NMNe^(-T/tM)，tM機械時間常數

不同機械tM差別很大，水泵tM≥0.7~1s。

切換注意事項：

一般，電機切換時的轉速不低于額定轉速的80%；

避免切換沖擊電流；

切換接觸器觸點電流加大，1.5~2.5倍。

水箱水位控制：

水箱水位控制：水面（或液面）的位置限制在一定范圍內的控制。

應用場合：水塔供水；鍋爐或其他水位或液面控制；

水塔供水：水面（或液面）的位置限制在一定范圍內的控制。

當水位低于下限時LL時，啟動水泵；當水位高于LH時，停水泵，每次啟動都是提供一定容積的水。

水箱水位控制節(jié)能分析：

分析依據：

不同轉速下，提供相同容積的水作為比較的基礎；

轉速N1,流量Q1,提供容積V所需時間t1；

轉速N2,流量Q2,提供容積V所需時間t2；

那么，V=Q1*t1=Q2*t2

節(jié)能舉例：

額定轉速n1=nN下，以額定流量供容積V所需時間t1=1h，那么消耗電功率為額定功率，消耗的電能為W1=P1*1；

轉速下降為n2=0.8nN下，那么供水流量Q2=0.8Q1,供容積V所需時間t2=t1/0.8=1.25h，那么消耗電功率P2=0.8^3*P1=0.512P1，供容積V的水消耗的電能為W2=P2*1.25=0.512P1*1.25=0.64W1

那么，兩者比較節(jié)能為36%。

中央空調系統(tǒng)構成：

冷凍水循環(huán)系統(tǒng)；冷卻水循環(huán)系統(tǒng)；

水泵的轉速只改變流量，與揚程無關。

流量與轉速成正比，水泵功率與轉速的二次方成正比。

冷凍水循環(huán)系統(tǒng)：

壓差控制：以壓差作為控制依據，保證最高樓層的冷凍水足夠的壓力。

溫度或溫差控制：保證房間的溫度。

綜合控制：

壓差為主，溫度為輔；

溫度為主，壓差為輔。

典型系統(tǒng)結構：

變頻恒壓供水機組原理：

變頻恒壓供水機組的原理來自于水泵比例律，而水泵比例律是由水泵的相似律推導而來的。

水泵的相似律：

圖中顯示全速運轉n1與變速轉速n2時，水泵的性能曲線。假設我們將Qb與Hb作為水泵額定參數，在系統(tǒng)需水量為Qa時，從上圖n2曲線我們可以看出，轉速下降為n2時，依然可以保證系統(tǒng)壓力Hb，但從功率曲線可以看出此時與n1轉速時的功率差ΔP=Pa-P，即節(jié)省的電能，ΔH可看作是節(jié)省的無用揚程，由此可知，利用變頻控制可實現穩(wěn)壓和省電的功能。

變頻恒壓供水通常有兩種工作模式：

1.變頻泵固定工作模式：

投入：當用水量小于一臺泵在工頻恒壓條件下的流量，由一臺變頻泵調速恒壓供水；當用水量增大時，變頻泵的轉速上升，當變頻泵轉速上升到工頻轉速，而用水量進一步增大，由變頻供水控制器自動啟動一臺工頻泵投入，該工頻泵提供的流量是恒定的(工頻轉速恒壓下的流量),其余各并聯工頻泵按相同的原理投入。

退出：當用水量下降，變頻調速泵的轉速下降，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，自動關閉一臺工頻泵使之超出并聯供水。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，變頻泵的轉速 自動下降，然后慢慢上升以滿足恒壓供水的要求。

2.變頻循環(huán)軟啟動工作模式

投入：在這種供水模式中，當供水流量小于變頻泵在恒壓工頻下的流量時，由變頻泵自動調速供水，當用水流量增大，變頻泵的轉速升高，當變頻泵的轉速升高到工頻轉速，由變頻供水控制器控制把該臺水泵切換到由工頻電網直接供電(不通過變頻器供電)變頻器則另外啟動一臺并聯泵投入工作。隨著用水流量繼續(xù)增大，其余各并聯泵均按上述相同的方式軟啟動投入。

退出：當用水流量減小，各并聯工頻泵按次序關泵退出，并且泵退出的順序按先投入先關泵退出的原則由變頻控制器單板計算機控制。

PID控制的基本原理與在恒壓供水中的應用：

PID控制算法可以通過計算機軟件編制，由于軟件系統(tǒng)的靈活性，還可以進行修正和完善，從而使數字PID具有很大的靈活性和適應性。

PID調節(jié)是：Proportional(比例)，Integral（積分），

Differential（微分）。

PID算法：在連續(xù)控制系統(tǒng)中采用的PID控制規(guī)律為：

P(t)—控制量；Kp—比例增益；e(t)—系統(tǒng)的控制偏差；Ti—積分時間常數；Td—微分時間常數。

恒壓供水系統(tǒng)的構成：

由圖可知，變頻器有兩個控制信號：目標信號和反饋信號。

（1）目標信號XT。即給定VRF上得到的信號，該信號是一個與壓力的控制目標相對應的值，通常用百分數表示。目標信號也可以由鍵盤直接給定，而不必通過外接電路來給定。

（2）反饋信號XF。是壓力變送器SP反饋回來的信號，該信號是一個反映實際壓力的信號。

PID調節(jié)原理方框圖：

下圖所示為變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制框圖。

其控制原理是由壓力傳感器測得供水管網的實際壓力，信號比較結果經D/A轉換后控制變頻器的輸出頻率，進而控制水泵電動機的轉速以達到恒壓的目的。

單泵恒壓供水系統(tǒng)組成：

變頻器有兩個控制信號：

1）給定信號XT：

給定信號的大小除了和所要求的壓力的控制目標有關外，還和壓力傳感器SP的量程有關。假設用戶要求的供水壓力為0.3MPa，壓力傳感器SP的量程為0～1MPa，則給定值應設定為30％。

2）反饋信號XF是壓力傳感器SP反饋回來的信號，該信號是一個反映實際壓力的信號。

控制方案的確定：

根據設計要求可確定控制方案為：通用變頻器+PLC(包括PID)+壓力傳感器。

變頻恒壓控制原理圖

恒壓供水系統(tǒng)流程

恒壓供水系統(tǒng)組成：

(1)執(zhí)行機構：三臺大功率主水泵、一臺小功率輔助水泵；

(2)信息檢測機構：壓力傳感器、液位傳感器；

(3)控制機構：PLC(含PID)、變頻器；

(4)報警裝置。

控制電路：SA為手動/自動轉換開關。

SA打在1的位置為手動控制狀態(tài)；打在2的狀態(tài)為自動控制狀態(tài)。

手動運行時，可用按鈕SB1～SB 8控制三臺泵的啟/停和電磁閥YV2的通/斷；

自動運行時，系統(tǒng)在PLC程序控制下運行。

HL10為自動運行狀態(tài)電源指示燈。

對變頻器頻率進行復位時只提供一個觸點信號，由于PLC為4個輸出占為一組共用一個COM端，而本系統(tǒng)又沒有剩下單獨的COM端輸出組，所以通過一個中間繼電器KA的觸點對變頻器進行復頻控制。

圖中的Y000～Y005及Y010～Y015為PLC的輸出繼電器的觸點。

恒壓供水控制系統(tǒng)程序中所使用的PLC元件及其功能：

PLC系統(tǒng)選型：

如上可知，系統(tǒng)共有開關量輸入點6個、開關量輸出點12個；模擬量輸入點1個、模擬量輸出點1個。

選用三菱FX2N-32MR一臺、加上一臺模擬量擴展模塊FX2N-4AD、一臺模擬量擴展模塊FX2N-2DA構成系統(tǒng)。

整個PLC系統(tǒng)的配置如下圖所示。

恒壓供水控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的電氣控制總框圖：

其他主要元器件的選型：

水泵機組的選型：

水泵機組的選型一是要確保平穩(wěn)運行；二是要經常處于高效區(qū)運行，以求取得較好的節(jié)能效果。

離心泵工作原理：

PLC的選型：PLC是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現以及對外的數據交換。

變頻器是根據其控制的電機的功率選擇的，這里根據要求及便與PLC通信選擇如下變頻器：

如，三菱FR-A540-55K型變頻器,功率為55Kw。

壓力傳感器的選型：壓力傳感器是用來采集水壓而構成閉環(huán)控制系統(tǒng)必不可少的一環(huán)，根據要求選：YTZ-150電阻遠傳壓力表和XMT-1270數顯儀實現壓力的檢測、顯示和變送。壓力表測量范圍0~1Mpa，精度1.0；數顯儀輸出一路4~20mA電流信號給PLC的擴展模塊。

液位傳感器的選擇：液位傳感器是控制水池水位，防止電機空轉。據要求可選：浮球式液位計。

恒壓供水控制系統(tǒng)PLC及擴展模塊外圍接線圖：

火災時，火災信號SA1被觸動，X000為1。

水位上下限信號分別對應為X001、X002，它們被水淹沒時為0，露出時為1。

PLC程序設計：程序包括三部分：主程序、子程序和中斷程序。

系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成；

定時中斷程序用來實現PID控制的定時采樣及輸出控制；主程序包括泵切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合及報警處理等；

生活及消防雙恒壓的兩個恒壓值是采用數字方式直接在程序中設定的。生活供水時系統(tǒng)設定值為滿量程的70%，消防供水時系統(tǒng)設定值為滿量程的90%；

本系統(tǒng)中PID控制中僅用了比例和積分控制，其回路增益和時間常數可通過工程計算初步確定，還需進一步調整以達到最優(yōu)控制效果。

變頻恒壓供水系統(tǒng)流程圖：

通過壓力傳感器檢測罐體壓力，壓力電信號經過自動控制電路識別、放大，控制接觸器動作，從而使水泵根據罐體內壓力變化，自動運行和停止，達到自動供水的目的。

工作過程：水泵啟動，將水通過止回閥注入罐體，從而使罐體內壓力增大，當壓力達到所設定壓力上限時，壓力自動控制器自動關閉水泵，使水泵停止運行。由于供水罐體內壓力高于供水管網壓力，所以能自動降壓供水，當壓力減小到設定壓力下限時，自動控制水泵啟動，自動向供水罐內注水，如此往復，使設備不停供水，全自動運行。

變頻恒壓供水機組結構示意圖：

變頻恒壓供水機組標準配置：水泵(根據供水系統(tǒng)所需揚程流量選擇水泵型號與臺數)；電控柜(根據水泵型號、臺數、變頻運行方式選擇)；變頻器(包含于電控柜中)；遠傳壓力表(考慮到儀表的匹配性，該項與電控柜同時采購)；普通壓力表；壓力罐；閥門(止回閥/閘閥/彈性減振接頭等)；管路(出水總管一套)；底座(采用碳鋼焊接整體底座)；其他管路附件。

隔膜壓力罐的選型：

確定最大小時用水量Q：

Q—最大小時用水量(m3/h)；

m —用水人數；

qr—用水量標準(升/人·日)；

T—用水時間(小時)一般取24小時；

K—小時變化系數，一般取1.8-2.5。

2.確定氣壓給水設備最低工作壓力P1和最高工作壓力P2：

P1—罐內氣體最低工作壓力(MPa)

h1—水池最低水位至建筑物最高點的垂直差(m)

h2—管網沿程損失(m)

h3—管網局部損失(m)

h4—最不利用水點的流出水頭(m)

h5—消防需加水頭(m)(如需要消防功能時)

102—換算系數，1 Mpa≈102mH2O

P2—最高工作壓力(MPa)

α—最低工作壓力與最高工作壓力之比，即P1/P2，一般取0.65～0.85。

3.根據Q和(P1+P2)/2選擇配套水泵

選定水泵的揚程為H，流量為qb，當H=(P1+P2)/2時，qb≥1.2Q。

4.根據水泵的流量，確定氣壓水罐調節(jié)水容積Vs：

Vs—給水系統(tǒng)所需氣壓罐調節(jié)容積(m3)；

C—安全系數，一般取1.0～1.3；

qb—工作水泵計算流量(m3/h)；

即工作泵組中最大一臺水泵在H=(P1+P2)/2時的流量，且該流量應在水泵性能曲線的高效區(qū)內。

5.確定氣壓水罐型號：

V總—氣壓水罐容積(m3)；

β—氣壓水罐容積系數取1.05；

α—氣壓水工作壓力之比，取值，與計算P2時應一致。

根據氣壓水罐的總容積V總及最高工作壓力P2，對照氣壓罐樣本，確定氣壓水罐的規(guī)格，使V0≥V總，如一臺罐不能滿足要求，可用多臺罐組合，使∑V0 ≥V總，再根據P2選定氣壓水罐的工作壓力等級。

浮球開關：供水系統(tǒng)中可增設浮球開關，當進水池水位上升或下降到一定值時(該水位值可設定)，浮球開關向控制器發(fā)出信號，控制水泵的啟停。

采用變頻調速恒壓供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資量，運行的經濟性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有明顯的節(jié)能效果。

本文來源于互聯網，暖通南社整理編輯。