论变频调速给水设备的选型及节能

曾　艳

摘要：对于用水量经常变化的场合（如生活用水），采用调速调节流量，具有优良的节能效果，但变频恒压供水节能的效果主要取决于用水流量的变化情况及水泵的合理选配，为了使变频恒压供水具有优良的节能效果，变频恒压供水宜采用多泵并联的供水模式。文章介绍了变频调速恒压给水设备的组合及选用的几种方式。

关键词：变频调速给水设备；变频器技术；多泵并联

中图分类号：TU991文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）06-0135-02

目前，变频调速生活给水在建筑给水中应用越来越广，其主要原因如下：

变频调速给水的供水压力可调，可以方便地满足各种供水压力的需要，所以在设计阶段可以降低对供水压力的准确计算。

1．目前，变频器技术已很成熟，因为建筑供水的应用广泛，有些变频器设计生产厂家把变频器直接做在供水专用变频器中：这种变频器具有可靠性好，使用方便的优点。

2．变频调速恒压给水具有优良的节能效果。由水泵——管道供水原理可知，调节供水流量，原则上有两种方法；一是节流调节，开大供水阀，流量上升；关小供水阀，流量下降。调节流量的第二种方法是调速调节，水泵转速升高，供水流量增加；转速下降，流量降低，对于用水量经常变化的场合（如生活用水），采用调速调节流量，具有优良的节能效果。但应当指出，变频恒压供水节能的效果主要取决于用水流量的变化情况及水泵的合理选配，为了使变频恒压供水具有优良的节能效果，变频恒压供水宜采用多泵并联的供水模式。因变频泵的流量是变化的，其工作效率及运行功率可随用水流量而改变，因此变频泵组的功率降低，从而可以降低变频恒压供水系统的能耗，改善节能状况。

根据各工程的实际情况，变频调速恒压给水设备的组合及选用有如下几种方式：

1．普通循环软启动变频供水设备。该类型设备在实际应用中较多，系统由水泵机组、循环软启动变频柜、压力仪表、管路系统等构成。变频柜由变频调速器，PLC，多功能PCS-PID调节仪，低压电器等构成。系统一般选择同型号水泵2～3台，以3台泵为例，系统的工作情况如下：平时1台泵变频供水，当1台泵供水不足时，先开的泵倒为工频运行，变频柜再软启动第2 台泵，若流量还不够，第2台泵倒为工频运行，变频柜再软启动第3台泵。若用水量减少，按启泵顺序依次停止工频泵，直到最后1台泵变频恒压供水。

另外系统具有定时换泵功能，若某台泵连续运行超过24 h变频柜可自动停止该泵切换到下一台泵继续变频运行。换泵时间由程序设定，可按要求随时调整。这样可均衡各泵的运行时间，延长整体泵组的寿命。

该系统一般适用于规模较小的多层住宅小区（如300户以内）或其它小规模用水系统，水泵功率一般不超过7.5 kW。另外也适用于小流量用水时间很短或用水量变化不大的其它场合，如循环水系统。

2．带小流量泵的循环软启动变频供水设备。当变频供水系统在小流量或零流量的情况下，比如在夜间用水低谷时，系统内的用水量很小，此时水泵在低流量下运行，会造成水泵效率大大降低，不能达到节能的目的，水泵功率越大用电越多。例如对300～1000户的多层住宅小区或600户左右的小高层住宅楼群（12层以内）的生活用水系统，生活主泵功率一般在15 kW左右，系统的零流量频率f0一般为25 ～35 Hz，故在夜间小流量时，采用主泵变频供水效率较低。

这就涉及供水系统在小流量或零流量时的节电问题，一般可以采取4种方案：（1）变频主泵 +工频辅泵；（2）变频主泵+工频辅泵+气压罐；（3）变频主泵+气压罐；（4）变频主泵+变频辅泵。从节能、投资角度看第4种方案更为适宜，该方案即在原变频主泵基础上，再配备1～2台小泵专用在夜间或平时小流量时变频供水，一般选择小泵流量为3～6 m³/h，居民区户数越多，流量可适当选择大些。小泵功率一般为1.5～3kW，小泵的扬程按主泵扬程或略低于主泵扬程即可。

变频柜采用PLC控制，程序采用模块化设计。平时系统运行于主泵循环软启动变频供水模式，系统用水量减小时，主泵频率逐渐降低，当频率低于小流量频率时，PCS-PID调节器发出低频切换信号，延时2 min，系统自动进入小泵变频供水模式。当用水量增大，小泵流量不能满足系统需要时，PCS-PID调节器发出满频信号，延时5 min，系统自动返回主泵循环软启动变频供水模式。为达到更好的节能效果，系统也可实现双恒压供水功能。

3．全流量高效变频供水设备。对比较大的生活小区和高层建筑的生活用水，若单配主泵机组和小流量泵，因小泵流量 QL和主泵流量QM差别较大，当流量调节范围在QL～1/3QM时，水泵的运行效率仍很低，导致水泵运行不经济，浪费电能。并且流量在大于或接近QL时还会出现频繁的换泵操作。为实现在全流量范围内水泵始终能高效率运行，这就有必要再增加一种中流量水泵，流量可选为1/3 QM～1/2 QM。特殊情况下还可增加2种中流量水泵。这样整体水泵流量选择呈阶梯状，从而使得设备在任何流量段运行时均处于水泵的高效率段，更加节能。

变频柜控制核心由PLC和多功能PCS-PID调节仪构成，以三种泵配置为例。系统也可实现双恒压供水功能，中泵和小泵变频时低恒压供水，主泵变频时高恒压供水。

4．深水井变频供水设备。目前深水井潜水泵采用变频调速控制的也非常广泛，主要是因为不需再建水塔，设备占地小，建设周期短，水质无二次污染，水泵软启动软停车，故障率低，大修周期延长，寿命提高。但对夜间也要求供水的系统（一般居民生活用水都有要求），仍存在夜间小流量“费电”问题。

为解决小流量耗电问题，可增配1台直径600～1200mm的囊式气压罐，一般气压罐可直接安装在泵房。根据气压罐的调节容量合理设置小流量频率fL。当系统用水量变小，运行频率降至小流量频率fL时，系统进入小流量变频稳压状态。

1．用水量随时间变化较小时：每天24h连续供水，且用水量低时流量Qmin仍较大，这时可选用同型号同规格水泵，根据高峰用水量选取一用一备或多用一备方案，对全部水泵进行变频控制。

2．用水量随时间变化较大时：每天24h连续供水，但用水量低时Qmin较小，这时可按Qmin选择一台小泵，代替大泵在Qmin远远小于Q1（Q1为单泵流量）的情况下运行。

3．断续用水的情况：在前述系统中加上气压罐装置，在正常使用时由变频调速泵供水，在流量Q>0时转换到气压罐供水，以提高供水效率。

4．小区规模较大时：可采用恒速泵与变频调速泵联合工作方式供水，这时对恒速水泵采用软起动器来对其进行起、停控制，整个控制系统采用“变频 + 软起动固定控制”的模式，在PC上减少控制点数，这无论从技术上、经济上、还是运行维护上来看，综合效果都会更佳。

5．生活、消防泵合用的供水方式：某些安装了消防泵的小区，因设备长期备而不用，可靠性会降低，既增加了工程投资，资源利用率也低，这时可以使生活、消防泵合用。电气控制应该做到：在PC上预先设定生活、消防两种工作压力值，平时作生活正常供水，设备运行在低水压状态，当发生火灾时，系统自动把水压切换到消防高压状态，管路上有能保证消防状态需要的压力、流量的装置。为考虑到选泵的经济合理，这种方式一般是在高低水压值相差不大的情况下采用。

变频调速（恒压）变量供水，电机频率随用水流量的变化而变化。如：用水量增加，频率上升，转速上升输出功率增加；用水量减小频率下降，转速下降，功率减小，即“多用水，多耗电”；“少用水，少耗电”，但不是“不用水，不耗电”。

在用水高峰期，水泵处于额定工作状态，是否采用变频调速控制，水泵功率都额定功率，但变频器自身也耗电，所以在这种情况下采用变频给水比工频给水设备更费电。

变频生活给水设备与非变频生活给水设备相比，耗电功率最大差为用水低潮期，节省电能与额定电能比值为最大20%，对任何型号的变频器控制也说明其节能不是无限制的。必须承认水泵在额定工况下：使用变频调速控制耗电不但没有减少，而且与电网直接供电相比为多耗电。

1．设备的额定供水量是按建筑给水在最大条件下的需水量计算确定的，在正常使用下，用水量将少于设备的额定供水量，即设备不会处于满负荷状态。

2．变频器的自身耗电为其额定输出功率的3%，而其最大节电度达到20%。因而，在较长时间内使用仍可达到非常节能的效果。

3．“少用水，少耗电”也就是说当用水量小于额定供水量时设备已处于节能状态。由于生活用水负荷变化曲线变化很大，一般情况每日用水高峰期（常在以下几个阶段：早上5:30～8:00、中午12:00～14:00、晚上17:00～20:30）共约为8小时，用水量较大，水泵基于额定工况下；用水低潮为其余2/3时间，水泵处于稳压或休眠状态，即发挥其节能功能。

综上所述，采用变频调速控制与非变频调速控制在节能方面相比，前者比后者节能，但节能不是无限制的，不是个人主观所能要求的，应客观的认识变频。

作者简介：曾艳（1975－），女，江西于都人，江西高新能源开发有限公司机电工程师。