变频恒压供水系统设计
变频恒压供水系统设计
昆明电器科学研究所 谢国政
[摘要] 变频调速恒压供水设备是采用变频调速器、可编程控制器（PLC）和PID调节器等构成的新型供水设备，本设备具有给水压力设定方便、显示直观、成本低，调试容易的特点。
[关键词] 变频调速 恒压供水设备 PID
1 概述
生活给水设备，一般可分为匹配式和非匹配式两种形式。非匹配式给水需要配置高位水箱或水塔等蓄水设备，其特点是水泵的给水量总是大于用水量，且存在造价高、二次给水水质易污染、能源消耗大、水锤效应等问题。匹配式给水则是通过调速装置随用水量的大小及时调节水泵的转速，以达到调整给水量的目的。 匹配式给水能维持给水系统给水压力恒定，需要多少水就供多少水。此外，由于水泵的轴功率与转速的三次方成正比，而水泵转速又与水的输送量成正比，如果用水量减少，水泵的轴功率就可以大幅度下降，可以达到节能的目的。在目前的条件下，采用交流变频调速器控制水泵电机的转速，以维持给水的恒定压力的方法是一种较完善的节能给水方式。据测算，变频恒压供水设备与传统给水方式相比，可节约初始投资10％，节能30％以上。所以，自90年代末以来，给水行业贯彻《城市给水行业2000年技术进步发展规划》中提出的"二提高三降低"（即提高给水水质，提高给水安全可靠性，降低能耗、降低漏耗和降低药耗）的要求，住宅小区的给水系统已逐渐取消了高位水箱，而采用变频恒压供水设备给水，既满足给水安全，又避免水质的二次污染，对保证人们生活用水质量有着非常重要的意义。此外,由于采用了PLC控制给水系统，消防给水的可靠性也大大提高，且很容易与生活给水系统统一控制。
2 变频调速恒压供水系统设计方案
2.1 住宅小区给水系统的要求
多层住宅小区已取消屋顶水箱，逐渐采用变频恒压供水设备给水系统，而对于十二层及十二层以下的"小高层"，《民用建筑水灭火系统设计规程》中规定"当采用小区集中给水泵房的生活消防共用给水系统时，可不设高位水箱。但应符合下列规定：①泵房的给水服务半径不宜大于150m；②消防泵和生活泵的电源应不低于按二级负荷的要求供电或自备柴油发电机；③消防泵的流量应满足生活和消防同时给水的流量；④泵房的出水压力平时不应大于0.45MPa，且应保证室内消火栓给水系统充满水；在灭火时应满足室内消防给水系统的压力；⑤室内消火栓给水系统竖管的顶部应设自动排气阀"。
2.2 用水量计算及水泵的选型
（1）用水量计算
设计流量的大小直接关系到水泵的选型、管网的口径及给水的安全保证性。目前，一般住宅小区的设计流量主要包括以下几方面；
①居民生活用水；②公共建筑用水；③消防用水；④绿化用水；⑤浇洒道路用水；⑥未预见水量及管网漏失水量。其中，公共建筑用水可按现行《建筑给水排水设计规范》给水当量计算；浇洒道路和绿地用水量应根据路面、绿化、气候和土壤等条件确定，草本植物可选 2.0L/（m2•d）；木本植物可选1.0L/（m2•d）；未预见水量及管网漏损量，可按最高日用水量的10%-15%合并计算。而最难确定的是小区居民生活用水，这主要是住宅小区大小不一，幢数不同。这就决定了住宅小区居民生活用水量的确定，既不同于城市市政给水设计，也不同于建筑物室内给水设计。平时我们进行设计时，通常采用经验做法；小区生活用水干管按最高日最大时流量公式进行计算，宅前支管和进户管按当量以设计秒流量公式进行计量。如表1为某设计院设计的某住宅小区的生活用水量计算结果。
表1 某住宅小区用水量计算表
用水地点 户数
或面积 用水量
标准 用水量（m3） 系数 备注
最大日 平均时 最大时 2.2 3.5人/户
住宅楼 1647 300L/人.d 1730 72 159
洗车 5218 3L/m2.d 16 5 5
绿化 37020 1.5L/m2.d 111 11 11 每日二次
未预见 186 9 18 按10%计
合计 2043 97 193
按照城市自来水公司的给水安全性要求，每座水泵房的给水服务面积不允许超过50000m2，约450户居民，按每户3.5人计算，则总用水人数1575，按照城市住宅标准规定“住宅每人最高日生活用水定额不应小于230L”，可取300L/（人•d）。又根据《建筑给水排水设计规范》（GBJ15-88）第1.6.1中的方法，有以下的公式：
Qh = KhQd/T
式中 Qh-最大小时生活用水量（m3/h）；
Qd-最高日用水量（m3/d）；
T-每日（或最大班）使用时间（h/d）；
Kh-小时变化系数，本市可取2.2。
则：
（2）水泵选型
目前，住宅小区的室外埋管均采用UPVC塑料给水管。根据上述计算结果及GBJ15-88规定，选择室外管管径为DN100。按照服务半径150m及十二层建筑（2.8m层高）计算，取住宅分户表前的静水压力70kPa（或十一跃十二层时为100kPa），水表安装距楼面高度1.0m，水泵扬程估算：
H = 18.48×0.15×1.3+2.8×11+1.0+7.0 = 42.4m
或H = 18.48×0.15×1.3+2.8×10+1.0+10.0 = 42.6m
根据流量及扬程，即可选择水泵。由于市政常压管网可直接提供绿化等其它常压用水，故不考虑应用水泵。
变频恒压供水管网图如图1所示。图1中1#、2#水泵为生活水泵，一用一备。3#、4#为消防水泵。传感器的任务是检测管网水压，输出信号为4～20mA。
2.3电气控制原理图设计
变频调速恒压供水设备主要采用变频调速器、可编程控制器（PLC）和PID调节器等器件构成。消防水泵不需要调速，有火警信号时，由PLC控制直接启动消防水泵即可，这里从略。下面主要介绍1＃和2＃生活水泵变频恒压供水控制部分的设计。其电气主回路图如图2所示。图中变频器VF的作用是实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。1M~2M为生活给水泵电机，KM1~KM4为电机起停，互相切换的交流接触器。压力设定在PID回路调节器上进行，可以为系统提供满足用户需要的水压期望值。其实现方法是将压力设定信号（通过面板设定）和压力反馈信号（传感器信号）送入PID回路调节器，由PID回路调节器在其内部进行运算后，输出给变频器一个转速调节信号（4～20mA）。正常工作时，生活给水泵1台工作，1台备用。并由PLC控制实现定时轮换。当给水设备开始工作时，先起动工作泵，管网水压达到设定值时，变频器的输出频率则稳定在一定的数值上。而当用水量增加，管网水压降低时，传感器将这一信号送入PID回路调节器，PID回路调节器增大输出信号，使变频器的输出频率上升，水泵的转速提高，水压上升。如果用水量增加很多，使变频器的输出频率达到最大值，仍不能使管网水压达到设定值时，PLC就发出控制信号，将刚才运行的水泵切换为工频状态，用变频器起动备用泵。由PLC控制两台泵同时工作，一台变频运行，一台工频运行。反之，当用水量减少，变频器的输出频率达到最小值时，PLC则发出信号，停备用泵。
由于变频器的转速控制信号是由PID回路调节器给出的，所以对PLC来讲，不需要有模拟量输入接口和模拟量输出接口。减少了连线和附加设备，降低了给水设备的成本，增加了整套设备的可靠性。由于采用的PID回路调节器可以安装在控制柜的面板上，且PID回路调节器可以进行量纲的变换，因而可以进行供水压力的直接设定，直观可靠。由于PID调节器内部自带了优化算法，所以水压的调节十分平滑，稳定。当接到火灾信号时，PLC控制消防泵启动，管网由低压转到高压，每单元的入户管道的紧急关闭阀在压力上限值时关闭，将生活管路断开；火灾信号撤除时，系统自动恢复至恒压供水状态。为了保证水压反馈信号值的准确，可对该信号设置滤波时间常数。
3 系统调试
由于采用变频器进行调速控制，变频器的谐波干扰问题必须重视。变频器的主电路一般为交-直-交组成，外部输入的工频电源经三相桥路不可控整流成直流，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件（IGBT）逆变为频率可变的交流信号。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。在逆变输出回路中，输出电流是受PWM载波信号调制的脉冲波形，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHz。同样，输出回路中的高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。针对变频器的特点，我们在系统设计中采取以下措施解决谐波的干扰问题。
谐波的传播途径是传导和辐射，解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离；解决辐射干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽。具体方法是：(1)在PLC和PID调节器的供电回路输入侧安装隔离变压器，切断谐波电流。(2)在PID调节器、变频调速器的输入、输出信号回路采用屏蔽线，且布线时与变频器主回路控制线错开一定距离(至少20cm以上)，切断辐射干扰。(3)电动机和变频器之间电缆应穿钢管敷设，并与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设，避免辐射干扰。(4)变频器使用专用接地线，且用粗短线接地，邻近其他电器设备的地线必须与变频器配线分开，使用短线。这样能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰。
