關(guān)于變頻生活給水機組的基本原理
關(guān)于變頻生活給水機組的基本原理
目前,變頻調(diào)速變頻生活給水機組在建筑給水中應(yīng)用越來越廣,其主要原因是:
1.變頻調(diào)速變頻生活給水機組的供水壓力可調(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(zhǔn)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(yīng)注意 ,泵的揚程宜大一些,因為變頻調(diào)速其最大壓力受水泵限制 。最低使用壓力也不應(yīng)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(yīng)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,這為變頻生活給水機組提供了充份的技術(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(yīng)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(fēng)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(yīng)當(dāng)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(dāng)中,變頻泵的流量是變化的,當(dāng)變頻泵是各并聯(lián)泵中最大,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(dāng)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(dāng)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,具有最佳的節(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(dāng) 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(dāng)用水流量增大,變頻泵的轉(zhuǎn)速自動上升;當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(yīng)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(dāng)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(dāng)用水流量增大,變頻泵的轉(zhuǎn)速升高。當(dāng)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(dāng)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(dāng)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最長。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(dāng)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(dāng)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)泵中的最大者。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(yīng)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(yīng)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(fù)正常運行。因此,自動輪換控制的電路比較復(fù)雜,會增加變頻 控制柜的造價并降低其使用可靠性。
當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(rèn)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(xué)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(dāng)節(jié)流損耗等于零,則供水 系統(tǒng)具有最佳的節(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(yīng)用。一種實用的變壓變 量供水系統(tǒng)叫做準(zhǔn)變壓變量供水系統(tǒng);在準(zhǔn)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(dāng)一臺泵工作,其恒壓值為P1;當(dāng)投入一臺泵,其恒壓值自動變?yōu)镻1+ΔP1;當(dāng)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(zhǔn)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(zhǔn)變壓變量供水控制功能。
事實上,在建筑供水當(dāng)中,準(zhǔn)變壓變量供水模式也很少應(yīng) 用,因為在實際使用當(dāng)中,很難給出ΔP1,ΔP2,ΔP3……等等 的具體參數(shù)。
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