1、變頻調速給水1.1概述常用的加壓供水方式有高位水箱供水、氣壓供水、變頻調速 供水、管網疊壓（無負壓）變頻調速供水和管網疊壓（無負壓） 高水位水箱供水等。其耗能、供水安全及防二次污染等方面的比 較見表1。常用供水加壓方式比較表1項目12345管網疊壓（無負管網疊壓（無負供水加高位水箱氣壓供水變頻調速壓）變頻調速供壓）高水位水箱壓方式供水供水水供水水池+工頻水池+工水池+變穩流罐+變頻穩流罐+工頻泵組成泵+咼位水頻泵+氣頻調速水調速水泵+高位水箱箱壓罐泵能利用市政剩能利用市政剩余水泵運均在咼效比1稍差部分時段余水壓、部分時水壓、均在咼效行工況區段運行低效運行段低效運行區段運行能耗1>1121

2、<1供水安好比1差差差比1稍差全性供水壓PW水箱高低水位P1P2 =04AP<0.01MPPO.01MPaPW水箱高低水力5 0 85位差水質二差較差a較差好好次污染情況投資1<1<1<1<1運行費用1稍>1>11<1注：1.表中Pi、P2表示氣壓水罐的最低、最高工作搖籃，絕對壓力（ MPa ）; P為實際壓力波動值。2管網疊壓（無負壓）高位水箱供水方式中的高位水箱不同于高位水箱供水方式的水箱，應為采取了空氣過濾裝置的密閉水箱。近年來，管網疊壓（無負壓）變頻調速供水方式已在不少城 市使用。但是，該供水方式有一定的適用范圍和局限性，不是萬 能

3、的，不是哪種場合都能使用的。 故變頻調速供水方式仍是目前 應用較廣的供水方式。在應用中應合理選用水泵， 加長水泵在高 效區的工作時間，因地制宜，發揮其應有的節能效果。變頻調速供水方式適用于每日用水時間長、用水量經常變化的生活和生產給水系統，凡需要增壓的給水系統及熱水系統均可 選用。該供水設備的優點主要表現在設定水泵出水壓力的情況 下，水泵的出水量（用戶用水量）可通過變頻調速改變供電頻率 進而改變水泵轉速來實現；供水壓力一直被控制在設定的壓力 下，不會出現用水小時管網壓力超過設定壓力的現象。缺點是當供水范圍較小、用水變化幅度過大時，節能效果不明顯，甚至不 節能；對電源要求較高，必須可靠，保護功能

4、要齊全。變頻調速給水設備是比較節能的設備。它是利用控制柜內的 變頻器和微機來控制水泵的運行， 使水泵按照實際運行參數 (變 化著的用戶用水量和設定的水壓) 進行變頻調速供水， 把水泵工 頻運行時特性曲線中的多余功通過變頻器調頻節約下來。 變頻調 速泵的調泵范圍在100%75%之間，這就使得當水泵在小流量 或零流量工況工作時， 水泵的運行會落在低效區。 如果水泵長時 間運行在低效區， 則該給水設備不但不能節能、 反而會浪費能量。 因此，對于像生活給水設備存在夜間小流量和零流量時間較長的 裝置，除了變頻調速主泵外，還會配置小泵和氣壓水罐，采用時 間繼電器或流量監測裝置來控制小泵和氣壓水罐的運行，

5、一旦到 了夜里設定的時間或用戶的用水量減少到確定的某一數值時， 給 水設備自動切換到小泵和氣壓水罐聯合工作。 這樣做的目的是縮 短變頻調速主泵在小流量或零流量低效工作時間，使系統更節 能。在使用變頻調速給水設備時，設備的環境應符合如下要求：(1) 氣溫：540 Co(2) 相對濕度：溫度20 C時，相對濕度W 90% o( 3) 海拔高度：不應超過 1000m o(4) 設備不應安裝在多粉塵、有腐蝕性氣體的場合； 室內安 裝時，環境應干燥，無結露、通風。不能安裝在露天。1.2 組成和工作原理從供水方式上分， 變頻調速供水系統可分為恒壓變流量方式 和變壓變流量方式兩種。它們主要由水池、工作主泵、

6、變頻控制 柜組成， 對于用水量變化范圍大、 小流量或零流量時段較長的場 所，為了節能，還配有輔助小泵和氣壓水罐。兩種供水方式的變 頻調速供水系統示意見圖 1 、圖 2。兩種供水方式的不同在于使 變頻控制柜產生變頻工作的壓力信號發出的地點是不同的。 恒壓 變流量供水方式的電接點壓力表是安裝在緊挨主泵的出水管上， 根據用戶用水要求設定壓力值， 為了保持泵出口的此壓力值， 隨 著用水量的變化， 變頻控制柜會發出變頻指令控制供水主泵不斷 改變轉速運行。“恒壓”指的是泵出口的壓力保持恒定， “變流量” 指的是系統的流量（用戶的用水量）在不斷改變的。在圖 3 中， 恒壓變流量供水方式節省的能量是水泵 Q-

7、H 特性曲線與恒壓變 流量水泵工作曲線之間所夾的面積I。 變壓變流量供水方式比恒 壓變流量供水方式更節能。 它是將壓力傳感器安裝在系統最不利 用水點附近， 壓力表的設定壓力是依據保證最不利用戶的水壓要 求而定。此壓力值設定后， 將壓力信號遠距離輸入變頻控制柜中， 當系統的用水量改變時， 為保持最不利點的設定壓力， 供水主泵 的出水壓力是隨著用水量的變化在不斷改變， 因此主泵出水壓力 的變化是靠變頻器改變水泵的轉速來實現。 “變壓”指的是主泵 的出口水壓是變化不固定的， “變流量”同樣指的是系統的流量 隨時在變化的。在圖 3 中，變壓變流量供水方式除了節省 I 的面 積外，還節省了由恒壓變流量水

8、泵工作曲線與變壓變流量水泵工 作曲線之間所圍成的面積H。 顯然，變壓變流量供水方式比恒壓 變流量供水方式更節能。 但是，變壓變流量供水方式也存在缺點： 一是壓力傳感器位置較遠， 安裝在最不利用戶附近， 運行不方便 且增加事故的幾率和投資； 二是對于加壓供水區域較大、 距離較 遠時， 由于水流輸送時水頭損失的存在， 會產生距泵房較近處供 水壓力差稍大的現象。此種供水方式采用并不多。1- jol 2-3 -4- wi<. 5- w<從以上分析得出，對于同一套恒壓變流量方式運行的變頻調 速給水系統，設定的恒壓值越高、所選用的水泵Q H特性曲線 越平緩，其節能率就越低。輔助小泵和氣壓水罐是

9、為夜間小流量或零流量時的運行而 設置的。但是，如果設置不當，許多系統效果不理想，甚至形同 虛設。在夜間小流量供水時，供水系統往往不能切換成功，也會 因此系統配置不當導致很快又切換至主泵供水。因此，怎樣來配置輔助小泵和氣壓水罐，怎樣可靠地從主泵供水切換到輔助小泵 和氣壓水罐工作，就成為配置輔助小泵和氣壓水罐的變頻調速供 水設備應重視的一個問題。下面討論輔助小泵和氣壓水罐的配置 和切換的幾種控制方式：（1）采用閥值頻率控制供水主泵切換到輔助小泵和氣壓水 罐運行的方法：該方法是基于使供水主泵在變頻調速運行時都處在高效區 這一原則，故切換閥值頻率的確定不是機械地依據主泵工頻流量 的1/31/4 ,而是

10、由主泵Q-H特性曲線高效區的左端起點的流 量決定。圖4是選用的單臺供水主泵的 Q-H、Q-n特性曲線和 變頻運行時的恒壓線。圖中 Q-H特性曲線上的AB段是對應 Q- n曲線高效區段的高效工作區。Hh是恒壓變流量供水方式設定的水泵出口的恒壓值。G點是主泵工頻運行時的工況點，在高效區AB靠近右側末端，符合選泵原則。 A點是主泵高效工作 區的左側斷點，也是主泵切換點 A/與其相應的工頻工作點。 A 點換算A/的參數可通過相似原理等效曲線來計算。通過分析看出，采用閥值頻率控制供水主泵切換到輔助小泵和氣壓水罐運行 的方式不適用Q-H曲線在小流量段有駝峰和很平緩的水泵。因為，在Q-H曲線小流量段非常平緩

11、的水泵，水泵轉速（頻率） 的變化對流量的變化很不敏感，這會影響到切換的可靠性。而 Q-H曲線有駝峰的水泵，在小流量區段，對于同一個恒壓設定 值，工況點有時不是唯一的，這點影響了切換點的唯一性。故此類水泵不應選用。3 橇艄M滋坯眥圖4嫄般懈縱和邛般r (：J廠UW7777I（2 ）流量控制方式用流量控制來切換供水主泵向輔助小泵和氣壓水罐運行過渡的方法比用控制變頻頻率的方法更直接。方法是在水泵的主出水管上加裝一個電磁流量計， 電磁流量計上可讀出瞬時流量及累 加流量，也可通過轉換器，當管道內流量減小到流量Qa/ （見圖4 ）時，輸出信號至變頻控制柜，從而準確地控制供水主泵和輔 助小泵之間的切換。此方

12、法可靠，因加裝了電磁流量計，故需加大投資。（3）時間控制方式 根據變頻調速供水系統供水小區的規模、入住（用）率、用 水習慣， 依據經驗及教訓， 如果可以較明確的確定在夜間某個時 段屬于小流量供水， 便可使用時間控制方式。 變頻控制柜內設時 間繼電器， 每天夜間都確定一個固定時段為小流量供水， 每天一 到此時段，系統自動將主泵切換為輔助小泵和氣壓水罐工作。目前，以上三種供水主泵切換為輔助小泵和氣壓水罐工作的 方式都有許多例，運行狀況都叫穩定。1.3 計算與設計要點（1）計算1）系統的設計流量 qs 的計算 變頻調速供水系統設計流量應按照建筑給水排水設計規 范 GB 50015 的有關條款，依據不

13、同性質用戶采用不同的計算 方法。 住宅與居民小區 住宅建筑物內系統設計流量應按設計秒流量確定。 供水規模小于 3000 人的居住小區設計流量應按設計秒流量 確定。供水規模大于 3000 人的居住小區設計流量應按最大小時流 量確定。據有關資料介紹， 設計秒流量的理論計算值與調查所得的最 大小時流量的比值大致在 2.51.8倍之間。使用人數少者比值 大，使用人數多者比值小。因此，在計算中一定要注意設計秒流 量與最大小時流量概念之間的差異， 避免給設計流量計算帶來很 大誤差。 集體宿舍、 旅館、賓館、醫院、療養院、 幼兒園、養老院、 辦公樓、商場、客運站、會展中心、中小學教學樓等：系統設計 流量取其

14、設計秒流量。 工業企業生活間、公共浴室、職工食堂、營業餐廳、體育 館運動員休息室、劇院化妝間、普通理化實驗室等：系統設計流 量取其設計秒流量。 不同用水性質的建筑共用同一系統時， 不宜將各棟建筑的 設計流量直接疊加。建議在分析它們同時發生可能性的基礎上， 結合有關規范（規程）綜合確定。2）水泵出口恒壓設定值 PH 的確定工況1:向最不利點用戶供水。PH=0.0098 （h1+h 2+h 3）（1-1）式中 PH 主泵出口設定壓力值（ MPa）;h 1水泵中心至用戶最不利用水點幾何高程差（m ）；h2水流從水泵出口至用水點的管道沿程與局部阻力損失之和（ m） ；h3最不利點衛生設備的流出工作壓力

15、（m）。工況 2:向最不利點高位消防水箱供水。PH=0.0098 （h4+h 5+h 6）（1-2）式中h4水泵中心至高位消防水箱最高水位的幾何高 程差（ m ）；H5 水流從水泵出口至高位消防水箱的管道沿程 與局部阻力損失之和（ m） ；H6 高位消防水箱進口浮球閥的工作水頭，可取1.5mPh值取兩種工況下的大值。3）供水主泵性能參數的確定 流量Qb :二泵組合（一用一備）時： Qb>1.2q 5三泵組合（兩用一備）時： Qb>1.2q 5/2四泵組合（三用一備）時： Qb>1.2q 5/3主泵的選用一般選用同一型號規格。最多可選四臺主泵 揚程泵H b :(1-3 )Hb=

16、H h-HxHh=Ph/0.0098Hx=h 7-h 8（1-4 ）式中 Hb主泵的揚程（m），在式（1-3 ）計算的基礎 上，應考慮23m的富余水頭，以適應不可預見因素;Hh-相應于主泵出口設定恒壓值的揚程值（m ）;Hx供水主泵進口壓力（ m）;h7水池最低水位與泵中心的高程差（m ）；h8卜V5 供水主泵工撫示意嚼水主敘水管示嵩水泵吸水管沿程和局部阻力損失之后（m ）；局部阻力損失包括水流通過吸水管進口、彎頭及閥門等處的局部阻力（見圖6）。常用管徑吸水管的阻力見表 2 ,供參考。從 表2看出，由于水泵吸水管一般較短、 阻力都較小，若遇水池水 位與水泵中心高程差較小時，在計算時往往不計Hh

17、或h7、h8之值。吸水管沿程和局部阻力（m）吸水 管直 徑DN（m m）沿程阻力（當V=1.2m/s 時）局部阻力（當 V=1.2m/s 時）合計L=5mL=10m吸水管進口彎頭閥門泵進口500.360.720.040.030.040.070.54 0.90800.210.410.040.030.39 0.591000.150.290.050.010.32 0.461500.090.10.050.010.26 0.344）主泵向輔助水泵和氣壓水罐切換點的閥值頻率f的確定在圖4中，過A點作等效曲線H gQ2,交恒壓線的交點A '點即切換點。切換點的流量 Qa由式（1-5 ）確定:式中(1

18、-5)切換點主泵的流量（m 3/h ）；Qa 主泵工頻運行處于高效區左端時的流量(m3/h );Hh主泵出口設定壓力值（m）；Ha 主泵工頻運行處于高效區左端時的揚程（m ）;切換時閥值頻率f: f QA'50（1-6 ）式中 f 閥值頻率（Hz）；50工頻頻率值。5）輔助小泵和氣壓水罐的選用和氣壓給水設備類同，在輔助小泵和氣壓水罐聯合運行時， 也存在最低工作壓力和最高工作壓力兩種工況。當氣壓水罐內的壓力下降到最低工作壓力時， 輔助小泵啟動，在向用戶供水的同 時也向氣壓水罐充水。氣壓水罐充水的同時，其內的水壓會升高， 當達到最高工作壓力時，輔助小泵會停止運行，小流量的供水由 氣壓水罐提

19、供。輔助小泵的性能應達到如下要求：在最低工作壓力時：Q 小 minQa 而 H 小 min =H H在最高工作壓力時：HH 小 口“ 9.8F、max9-8（ 1-7 ）b而此時相應的輔助小泵的流量 Q小max是通過初選泵的規格 型號后，查泵產品的 Q-H特性曲線而得到的。上式中，a b為氣壓水罐的工作壓力比，取值范圍 0.65 0.85。氣壓水罐的選型參數計算如下：氣壓水罐的容積仍可采用與氣壓給水設備相同的計算公式：Vx(1-8 )Vxaqz4n(1-9 )所不同的是此處qz是復雜小泵的流量，可取qz= （Q小min+Q小 max）/2 。（ 2 ）設計要點1）主泵的選用 主泵應選擇 Q-H 特性曲線無駝峰、 比轉速 ns 適中（約為 100200 ）、效率高、電動機配用功率相對較小的水泵。 主泵工頻時的工作點應在水泵高效區范圍內，不得選在Q-H