无负压变频恒压供水自控技术研究

梁 波

随着我国城市建设的快速发展，给排水设备也在不断提高，从过去老式的水泵加屋顶水箱到现在变频供水(节能、去掉了易污染的屋顶水池)。近年来又一新型的供水设备出现——无负压变频恒压供水，它是在变频恒压供水设备上发展起来的，它主要由无负压调节罐、水泵、气压罐、变频智能控制系统等组成，利用原有自来水管网压力进行高效节能供水方式。

1 无负压变频恒压供水工作原理

无负压自动供水系统主要由三部分构成。第一部分是前置管路，包括接市政管网、倒流防止器、过滤器、加氯机或臭氧接口;第二部分是无负压自动调节装置，包括气压罐、隔膜、真空抑制装置、排污阀、紫外线消毒器、报警装置、真空表等;第三部分是变频调速增压装置，包括水泵组、保压装置、变频控制柜、远传压力表、用户管网等。系统图如图1所示。

自来水管网的水直接进入调节罐，罐内的空气从真空消除器内排出，待水充满后，真空消除器自动关闭。当自来水能够满足用水压力及水量要求时，设备通过旁通止回阀向用水管网直接供水;当自来水管网的压力不能满足用水要求时，系统通过压力传感器(或压力控制器、电接点压表)给出起泵信号启动水泵运行。水泵供水时，若自来水管网的水量大于水泵流量，系统保持正常供水;用水高峰期时，若自来水管网水量小于水泵流量时，调节罐内的水作为补充水源仍能正常供水，此时，空气由真空消除器进入调节罐，消除了自来水管网的负压，用水高峰期过后，系统恢复正常的状态。若自来水管网停水而导致调节罐内的水位不断下降，液位探测器给出水泵停机信号以保护水泵机组。

2 无负压变频恒压供水系统自动控制的实现

无负压自动供水系统主要是通过微机控制变频调速来实现恒压供水。首先根据实际情况设定用水点工作压力，并时刻监测市政管网压力，当压力低于用户所需压力时，微机自动控制子变频器启动，调节水泵转速提高，直到管网压力上升到用户所需压力，并控制水泵以一恒定转速运行进行恒压供水。当用水量增加时转速提高，当用水量减少时转速降低，时刻保证用户的用水压力恒定。自来水的压力越低，水泵的转速越高;自来水的压力越高，水泵的转速越低。当自来水的压力不小于用户所需的压力时，水泵停止运转。设备在运行过程中既充分利用自来水的原有压力，又保证了用户供水压力恒定。设备在运行过程中，微机时刻监测市政管网和系统压力，自动控制真空抑制器及稳流补偿器来抑制负压的产生，既充分利用了市政管网的压力，又不产生负压，不对市政管网产生任何不良影响，保证了用水的安全性。无负压供水设备既能利用自来水管网的原有压力，又能动用足够的储存水量满足高峰期用水，且不会对自来水管网产生吸力。

当市政自来水管网的压力低于用户管网所需压力时，控制系统会自动发出信号，控制变频泵软启动运行，直到用户管网的实际压力相等，变频器控制变频泵以一恒定的转速运行。市政自来水管网的压力越高，则变频泵的转速越低;市政自来水管网的压力越低，则变频泵的转速就越高。而当压力相等时，变频泵就延时休眠，即充分利用自来水原有的压力，以确保用户所需要的压力恒定。当压力下降到唤醒值时，水泵自动唤醒。变频泵的进水口与隔膜无负压罐相连，微机时刻检测隔膜无负压罐的压力，通过吸气(排气)来稳定隔膜无负压罐内的压力和自来水进水的压力，使其不产生负压，从而保证整个自来水管网的正常供水。如果产生瞬时负压，微机自动发出指令，先延时停止所有的工频泵，再延时变频减速，不停机，既能保证用户用水，又可以缓和瞬时负压情况。当市政自来水管网的压力信号控制器出现故障时，报警装置发出报警信号给变频控制柜控制水泵，并发出声光报警。

3 无负压变频恒压供水系统自动控制的原理

第一种控制方式:变频器+PLC。

如图2所示，加泵时，先将变频器供电的泵从变频器断开，将该泵直接接到电网上，然后用变频器再去启动下一台水泵。

减泵时，变频器输出已到最低频率和电压，这时把直接接在电网上的另一台电机从电网断开，然后变频器在压力调节器的作用下，又重把它控制的电机速度调到所需流量相对应的转速。设若一台水泵的额定输出流量为Qrat，需要减泵的情况是发生在从Qrat+δ Qrat到 Qrat-δ Qrat的过渡，其中，Qrat为一台工频泵提供的流量，δ Qrat为变频泵提供的流量(δ=0～1)，在减泵时，δ是接近0的分数，如果突然切除一台工频泵，系统的流量突然减少Qrat，带来的流量变化十分巨大。因此这种系统在减泵时的流量波动很大。

第二种控制方式:变频器+软启动器+PLC。

如图3所示，将变频器固定控制一台水泵电动机，在需要加减泵时，用软启动器来启动或停止另外的水泵电动机。

在该系统中，由变频器控制M0水泵电机，变频器中的压力调节器根据压力反馈与给定压力的误差来调节变频器输出电压和频率，从而调节电机转速和水量。当需要加泵时，例如这时需要增加第2台水泵，就由软启动器SS1启动M1电动机，随着M1水泵输出流量的增加，压力调节器会自动调节M0水泵的转速，使压力保持在规定值。当M1电机达到额定转速时，旁路真空接触器CK12合闸，将电动机直接接到电网上，这时M0水泵由变频器驱动，也稳定在某一转速。因此在这个过程中，既没有大的电流冲击，也没有大的流量波动。

当需要减泵时，例如这时需要将工频运行的M1水泵切除掉，软启动器SS1便会投入运行，其可控硅处于全导通的状态，断开旁路真空接触器，然后软启动器在TruTorque转矩闭环控制软件的控制下，使水泵按水泵的机械特性曲线减速，直到停止(采用这种转矩控制方法，不会发生水锤现象)。在M1水泵减速过程中，压力调节器也会根据水系统压力的变化，调节M0水泵的速度，使之升速以保持水压恒定。因此在这个过程中，也没有大的流量波动。

两种方案在经济方面相差不多，但采用软启动器的方案比采用同步切换的方案在技术性能上要优越得多，所以优先使用第二种方案。

总之，无负压供水系统的研究应用在供水行业中掀起了一次具有重大意义的革命。虽然它在使用中还有一些小小的限制，但是在“节能、节地、防污染”等各个方面都具有传统供水方式所不可比拟的优势，具有广阔的发展空间。特别是“节能、防污染”，在能源日趋紧张、人们对生活质量水平要求越来越高的今天，是一种较为合理的供水方式。

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