某商业体无负压供水系统的设计与应用

刘 瑞　刘欣玉　潘 露

(1. 安徽机电职业技术学院电气工程系， 安徽 芜湖 241000；2. 安徽机电职业技术学院机械工程系， 安徽 芜湖 241000)



某商业体无负压供水系统的设计与应用

刘 瑞1刘欣玉2潘 露2

(1. 安徽机电职业技术学院电气工程系， 安徽 芜湖 241000；2. 安徽机电职业技术学院机械工程系， 安徽 芜湖 241000)

为某商业体设计一套无负压供水系统，介绍该无负压供水系统的组成和工作原理。根据该商业体的实际供水需求，计算出系统主要设备参数，完成控制方案中PLC的功能设计和变频器参数设置。

无负压供水； 供水系统； 变频器；PLC

芜湖某商业体内有多栋高层建筑，每栋楼有15层，其中第1 — 5层用的是直供自来水，第6 — 15层通过楼顶高位水箱二次加压供水。这种供水方式在运行中存在以下问题：一是需定期对水箱进行清理，每次清理均会关停水而对用户用水造成影响；二是随着时间的推移，水箱浮球开关不时损坏，导致水箱补水不足。为了减少设备维护工作量，为用户提供洁净、连续、稳定的生活用水，我们针对该商业体设计了一套新型无负压供水系统。

1　无负压供水系统工作原理及设计

1.1系统工作原理

无负压供水设备由无负压流量控制器、稳压补偿罐、能量储存器、双向补偿器、水泵机组、控制柜及控制仪表等装置组成[1]。

在市政管网压力正常时，市政供水经稳压补偿罐恒压腔通过水泵机组加压至用户管网。在高峰用水期，市政水压力下降。这时能量储存器释放带压气体进入稳压补偿罐高压腔，将高压腔的水挤入恒压腔管网并汇同恒压腔的市政水向用户补水。高压腔具有小流量供水保压功能。在低峰用水期，管网利用双向补偿器将泵出水口端的高压水引向高压腔补水，使不溶于水的带压氮气随着液面不断上升被挤压回能量储存装置内，从而完成低峰期给罐内补水的过程[2]。

1.2无负压系统设计

根据高峰期用水量，将无负压自动增压设备系统流量设计为90m3h。楼顶水管高度为60m，为保证顶层用户用水压力达到0.2MPa左右，工作压力设计为0.85MPa。系统采用3台电机轮换工作制，根据电机和泵的工作曲线，设定单台电机功率为15kW，转速为2 930rmin，额定电流为29A，设备总功率为45kW，水泵扬程为80m，流量45m3h。

压力变送器采用HUBA501系列，压力量程0～10bar(即0～1MPa)，输出电流为4～20mA。

为了降低工程造价，可充分利用原有管道，不另做太大改动。在负一楼原水泵房将无负压供水设备直接连接到市政供水管网上，将无负压设备供水出口连接到原水泵出口管道。楼顶拆除高位水箱，将进出水管道直接连通即可。变频控制柜通过压力变送器实时监测市政端管网和用户端管网的压力。当用户端管网压力低于用户所需的压力时，中央控制器自动控制变频器启动，直到用户端管网压力上升到实际所需压力；当用户端管网压力高于用户所需的压力时，则降低变频泵频率；当用户端管网压力等于用户所需压力时，变频泵就延时休眠。图1所示为无负压供水设备系统示意图。

图1　无负压供水设备系统图

2　控制系统的配置

2.1控制系统主电路图

该系统有手动和自动两种运行方式。手动运行方式下，可根据需要分别通断接触器2KM、4KM、6KM，以实现工频启动并关停1#、2#、3#泵。该方式主要供调试、检修和设备自动运行有故障时使用。在自动运行方式下，变频器通过接触器1KM、3KM、5KM实现变频启动，并与前者联锁。在单台变频运行满足给定压力的条件下，可实现单机8h轮换工作制。图2所示为控制系统主电路图。

2.2PLC调节器

根据不能对市政管网产生负压的要求，本控制系统应实现恒压供水，需要保持泵出口压力为0.85MPa，宜采用以压力值为主变量的PID控制方式来形成闭环反馈控制回路。压力变送器将检测到的4～20mA范围压力信号传送给PLC调节器，PID调节器根据压力设定值与实际检测值进行PID运算，并给出信号，直接控制变频器的转速以使管网的压力稳定。图3所示为PLC调节器接线示意图。

当用水量不是很大时，一台泵在变频器的控制下稳定运行。PLC输出频率从0Hz开始上升，同时PID调节器对接收到的反馈信号与给定压力进行比较运算后送至变频器；当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压力稳定时，变频器会输出一个频率上限到达信号给PLC调节器。PID调节器的压力下限信号与变频器的高速信号同时被PLC调节器检测到时，经过短暂延时，PLC自动将原工作在变频状态下的泵切换到工频运行，以保持压力的连续性。与此同时将一台备用的泵通过变频器启动后投入运行，以加大管网的供水量，保证压力稳定。若2台泵同时运转仍不能满足需求，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频工作状态下运行，而将另一台备用泵投入变频工作状态下运行。当用水量减少时，首先表现为变频器处于最低速工作状态，低速信号有效。这时如果仍出现压力上限的信号，PLC调节器会首先使在工频工作状态下运行的泵停止工作，以减少供水量。当上述压力上限信号和低速信号仍存在时，PLC调节器再关停一台在工频工作状态下运行的泵，如此反复，直到最后一台泵实现变频器恒压供水[3]。

图2　控制系统主电路图

图3　PLC调节器接线示意图

2.3ABBACS510变频器

系统中使用了ABBACS510变频器。ACS510是ABB的一款低压交流传动产品，广泛应用于各种工业领域，适用于各类型负载。尤其针对在风机、水泵中的应用做了优化，适用于恒压供水领域。图4所示为ABBACS510变频器接线示意图。

图4　ABB ACS510变频器接线示意图

2.4人机界面

通过组态及人机界面，可以直观地观察和查看系统运行状态、变频器的主要实时参数、故障报警记录和历史趋势等信息。图5所示为组态示意图及人机界面。从变频器运行参数组态画面中可以看出，电机在变频状态下的运行时间为6 778h。如按照工频额定功率计算,总消耗功率为101 670kW，实际变频器累计功耗为12 888kW，约为改造前供水系统能耗的110，节能效果明显。

图5　组态示意图及人机界面

3　结　语

无负压供水系统最大的特点是直接与市政供水管网连接，在充分利用市政供水管网余压的基础上再次加压，是两者压力的叠加。该商业体市政供水压力一般为0.35～0.4MPa，给定值为0.85MPa，压力偏差值为0.45MPa。无负压供水设备只需增压0.45MPa即可满足设定值的要求。该系统功耗约为改造前供水系统能耗的110，节能效果明显。另外，新系统减少了设备的维护工作量，增加了供水系统的稳定性；同时因用水管网直接与市政管网相连通，水质得到了很好的保证。

[1] 张吉申.浅淡管网叠压(无负压)供水设备分类及工作原理[J].给水排水，2009(增刊2)：309-311.

[2] 刘昆，张吉申.新型电子防负压式管网叠压供水设备及应用[J].水工业市场，2009(9)：48.

[3] 黄志钢，任继锋.PLC和变频器在无负压供水系统中的应用[J].现代物业，2011(9)：182-184.

[4] 孟彦京，李红垒，段明亮. 基于ABBACS510变频器的多泵控制系统设计[J].电气传动，2011，40(11)：66-68.

DesignandApplicationofNonNegativePressureWaterSupplySysteminaCommercialMall

LIU Rui1LIU Xinyu2PAN Lu2

(1. Department of Electrical Engineering, Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering,WuhuAnhui241000,China; 2.DepartmentofMechanicalEngineering,AnhuiTechnicalCollegeofMechanicalandElectricalEngineering,WuhuAnhui241000,China)

Thispaperintroducesthecompositionandworkingprincipleofthenonnegativepressurewatersupplysystemwhichwasdesignedforacommercialmall.Accordingtotheactualwatersupplyrequirements,wefirstcalculatetheparametersofmainequipment;andthencomplishthefunctiondesignofPLCandparameterssettingofinverteroverthecontrolscheme,toachievethewatersupplyrequirements.

nonnegativepressurewatersupply;supplywatersystem;inverter;PLC

2016-01-15

安徽省教育厅科研基金“校企合作模具设计与制造专业综合改革试点”(2013ZY149)；安徽机电职业技术学院校级教学研究项目“智能仪表技术项目化教学改革”(2014YJYXM29)

刘瑞(1980 — )，女，河南驻马店人，硕士，讲师，研究方向为电气自动化。

TP271

A

1673-1980(2016)04-0101-04