变频恒压供水控制技术在泵站供水系统中的应用

孙纬

上海城投水务（集团）有限公司制水分公司 上海 200086

正文：

1、前言

随着工业发展和人们生活水平的提高，对用水量和水质要求也随之提高，原有的恒速泵供水方式已不能满足要求。另外，随着变频调速技术[1]和可编程控制技术的有效应用，供水系统逐渐突破了间歇供水系统的局限性，缓解和改善了用水量与管道压力之间的矛盾，在保证有效供水的前提下，可以降低能耗，提高供水效率。

2、变频恒压供水系统的节能原理

2.1 变频调速原理

异步电动机的转速与电源频率、电动机的打滑（即转差率）和电动机的磁极对数密切相关，其中电动机的转速与电源频率成正比，所以变频调速就是通过改变电源频率来改变电机转速。电源频率变频最大范围在0-50 Hz，上限一般略小于50hz是因为电动机当转速超过其额定转速时，按平方规律增加的转距会使电动机严重过载，且考虑到变频器内部一般有转差补偿功能以及水泵接近50HZ运行时不如直接在工频下运行好，所以上限需要设置略低；下限一般略大于0hz是因为电动机转速过低会使水泵出现“空转”现象。

2.2 供水系统的变频控制原理

供水系统在用变频调速代替恒速电机的过程中，可以通过流体力学对泵的实际工作效率进行详细的计算，其中包括两个常数，即水量和变化趋势。通过控制频率，改变泵的转速，使供水系统的流量、压力和电机的轴功率发生变化。此外，由于供水系统管道阻力与水量的平方密切相关，在阀门开度调整过程中或者耗水量变化比较大时，需对水泵转速进行有效的调整，改变电机的轴功率，使整个供水系统达到节能效果。

3、变频恒压供水系统的原理

变频恒压供水系统是以管网水压为设定参数，根据实际工作特点控制水泵调速装置，调整运行水泵数量，产生一定的供水压力，形成闭环控制结构。在其工作过程中，主要是以压力传感器的形式检测管网的相关压力，将相关的传感信号传输到处理中心，然后进行控制并实时监控，发现如果压力不符合标准时，则需要可编程控制单元切换变频器，以确保实际压力与设定压力一致。

3.1 变频恒压供水系统结构

变频调速恒压供水系统[2]由泵、变频器、可编程控制器和相应的传感机构组成，PLC、模拟量输入和压力传感器构成闭环控制系统，控制泵的工作状态、泵的数量、进出水量等，其中PLC控制器的内部结构也可以调节变频泵的运行速度。

3.2 控制原理

转换为PLC模拟量[3]输入口的标准信号可调节PLC相关参数，如调整泵机运行时间、泵出口压力、变频器的频率转换、泵的转速等。为了在给定的压力下保持供水管网的压力，实现恒压供水，具体的工作中会出现不同的情况，比如当供水超过一个水泵时，由PLC根据用水量来控制工作水泵的数量和变频器的调速；再比如在用水量小的情况下，为避免一台泵长时间工作，通过控制系统在某一台泵连续运行一段时间后切换到下一台泵等。

4、变频恒压供水效果

4.1 变频恒压供水的优点

4.1.1 变频供水灵活控制供水压力，保证恒压供水，有利于配水网络的安全稳定运行，大大降低管网的泄漏率。采用传统的恒速泵加压供水方式时，当电动机在完全压力下开始时(即直接起动也称为全压起动），它从静止状态加速到额定速度所需的时间很短，这意味着水流会在很短时间内从零流动到额定流量，这会引起管道内部压力变化剧烈，即电机硬起动产生水锤效应，破坏性很大；此外如果管道内部压力变化太大，过高或过低将导致管道内产生气泡；水泵的直接停机也会引起压力冲击。变频器用于调速后，通过合理设置加速和减速时间，可以延长启动停止过程，合理控制供水压力，减少对管道和管件冲击，降低管网的泄漏率，最大限度地保护水泵，增加水泵的使用寿命。

4.1.2 采用变频恒压供水后不需要工人频繁操作，系统可根据实际用水量自动调节，减轻了工人的工作量和工作强度。

4.1.3 变频器直接驱动电机进行变频(变流量)供水，具有接线简单、使用电器元件少、充分发挥变频器功能、运行稳定、节能效果明显、维护率低等优点。

4.2 变频恒压供水系统自动控制技术的实践应用

4.2.1 如果用水量相对较少，变量泵的转速会自动下降到设定的频率，此时控制器会自动停止定量泵，根据管网的压力来转换一下变量泵的转速，从而保持管网压力的稳定性。这时水泵的启动都由变频器进行控制，此类条件促使机组自动形成循环的软启动，保证每台水泵的启动频率都能从设定的最小频率渐渐提升，从而为变频恒压供水系统自动控制技术的顺利开展奠定良好的基础。

4.2.2 如果在实现自动控制技术时，外来管网的压力逐渐高于设定压力，那么各泵工作都会被控制器完全停止，利用外界管网压力向供水管网供水。

4.2.3 在进行变频恒压供水系统自动控制技术利用时，如果遇到小流量辅助泵的系统，在用水量非常小的情况下，一般系统都是由一台变频泵以低频率来运行维护管网压力，如果管网的压力依旧持续升高，那么此时控制器将会自动停止变频泵，开启小流量辅助泵，利用小容量辅助泵向供水管网供水。后期如果水量加大，可以逐渐的加入变频泵进行自动投入运行，从而在根本上维护管网压力的稳定性。

5、结束语

综上所述，随着人们生活质量的提高，人们对生活用水的质量要求越来越高，变频恒压供水以其环保、节能、水质好等优点越来越受到供水行业的重视，也为无人值守泵站的实现提供了技术条件。