基于变频技术的工厂化水产养殖 车间恒压供水系统的应用

周 勇，谢 刚，刘克明，蔡 超

(天津市水产研究所，天津 300221)

工厂化水产养殖车间用水的水源具有多样性的特点，但一般都需要配置一个专门的水处理池，对水源水进行预处理，并将处理后的水用水泵送到高位水塔或高位水槽，目的是保证工厂化水产养殖车间用水管道内保持一定的压力，方便车间用水。通过工程实例将变频恒压技术引入到工厂化水产养殖车间中，取得了良好的经济效益和社会效益。

工厂化水产养殖车间的进水水源有自来水水源、地热水水源、地下机井水源、池塘水或河流水水源。各类水源的使用有一共同特点就是需要进行预处理，去除水源中的杂质、藻类和氨氮、硫化氢、余氯等对水产养殖动物有害的物质。因此，在水产养殖车间室外常常会专门设置一个水处理池，且大部分水处理池的高程相对低于工厂化水产养殖车间，再将处理过的水用水泵输送到高位水塔或水槽中向车间供水，工厂化水产养殖车间用水具有大流量集中性、小流量不间断性和临时性的特点，因此要确保给水管道中保持一定的压力，从而满足工厂化水产养殖车间给水的稳定性。

高位水塔或水槽工程建设内容涉及到选址、结构及荷载的计算、土建基础工程、钢筋混凝土浇筑、密封防水工程等等，具有投资大、风险高、维护难的特点，因此对于空间不足，不具备相关条件，预算有限的养殖户来说，建设有一定的困难。我们尝试将变频技术引入到工厂化水产养殖车间供水系统中，通过对潜水泵、变频器、管道、阀门等设备材料选型装配，实现工厂化水产养殖车间从低位到高位的恒压稳定供水，不仅节省了高位水塔的建造费用，还具有明显的节能、节水的作用，在生产实践中起到很好的应用效果。

1 工作原理及系统结构

变频技术的工作原理是一方面对电动机进行控制，根据实际使用负载来调节电机转速，不再空负载浪费电能；另一方面对电动机进行变频供电，使电动机改变转速，根据实际用电需要来供电，让电机只做有用功。

图1 变频器恒压供水系统图

变频器是恒压供水系统中的核心设备。如图1所示，安装在主给水管路上的压力开关实时检测给水管内部的压力，当管路内部压力有变化时通过模拟信号及时反馈给PID控制器，PID控制器通过运行指令和频率指令调节变频器频率来控制水泵转速，实现了一个闭环控制系统。

2 设备选型原则：

2.1 潜水泵的选择

潜水泵的选择，需要综合考虑电压(V)、功率(kW)、口径(英寸)、流量(m3/h)、扬程(M)五个重要指标。

2.1.1 流量的选择 应根据实际需要确定流量(m3/h)指标，即车间内的总用水量/潜水泵流量(m3/h)，计算出车间内的养殖池从无水到灌满所需要的耗费时间，这个耗时是否在可接受范围内。

2.1.2 扬程的选择 要根据给水管的布置情况选择潜水泵的扬程。垂直方向的给水管按照实际长度计算，如垂直方向上的给水管长度M m，扬程折合为M m。水平方向上的给水管以及各类管件综合起来，按照每7 m折合成1 m扬程来计算，如水平方向上的给水管长度为N m，扬程折合为N/7 m。确保潜水泵扬程>M+N/7，差值越大流速越有保证。

2.1.3 口径的选择 潜水泵的口径选择，要尽量与给水管路的管径相同，方便安装和对接。

2.1.4 电压(V)和功率(kW)的选择 潜水泵的电压和功率要根据现场的供电情况选择380 V或220 V供电，并根据上述流量、扬程、口径、电压等尽量在满足需要的情况下选择功率偏小的潜水泵，达到节能的目的。

2.2 变频柜的选择

变频柜是由防水柜体、散热风扇、防尘罩、指示灯、开关旋钮、高精度矢量变频器、操控面板、电气元器件等组成，其核心设备是高精度矢量变频器。

变频器是整个变频柜的核心设备，在功率选择上要根据潜水泵的功率来确定，保证能正常负载接入的潜水泵并留有一定的冗余。

变频柜的散热，变频器的发热是由内部的损耗产生的。必须对变频器进行散热处理，通常采用风扇来给变频器进行强行散热。

由于变频柜一般在养殖车间内，环境潮湿，因此柜体应选用防水、防结露、防尘、防腐处理的柜体。

注意电磁干扰问题，变频柜系统中要避免高频冲击负载，如电焊机、电镀电源。变频器本身会因为干扰而出现保护，从而停止运行，影响变频柜的正常工作。

变频柜中的元器件要根据使用功能进行设置，常用的元器件有电源总开关，电源输入端口、电机输出端口、压力表接口、液位开关接口、指示灯、旋钮开关。

2.3 供电及给水管的选择

室外给水管建议使用PE给水管，考虑到降低造价，室内给水管建议采用U-PVC给水管，两种材质的给水管道的接口建议采用金属法兰进行承接。管材的口径视空间允许程度和流量需求而定，PE给水管要熔接牢固，U-PVC给水管要黏结牢固，管道如需架设可采用金属三脚架进行牢固。考虑的到北方冬季防冻的因素，室外给水管埋设深度应该在70 cm以上且管道沿着水平方向往池塘方向倾斜，避免冬季管道内的存水结冰破坏管材及管件(《建筑给水排水设计规范》GB 50015-2009)，同时，应该在给水管路的较高点设置放气口，便于清除管道内的存水。

供电电缆的线径应根据变频柜的功率和电缆长度而定，埋设时应该增加金属套管进行保护或者直接采用铠装电缆进行敷设，埋设深度不小于70 cm(《电力工程电缆设计标准》GB 50217-2018)。

2.4 水产养殖车间供水系统的集成

将潜水泵固定在浮床上，位置尽量放置在水面以下50 cm。

将潜水泵的电源线接到变频柜的电机输出端口；将潜水泵的泵口接到给水管路上。

在主给水管路上安装压力开关，并用电缆将压力开关接到变频柜中的压力表端口。

在给水管靠近潜水泵的适当位置安装止回阀。

将电源引入变频柜的电源输入端口，确保所有端口安装牢固后，给变频柜加电。

根据变频器的说明书，调节压力阀值，为保证UPVC及连接件的抗压安全，建议将压力阀值设定为0.6 Mpa左右。

旋动变频柜的旋钮开关，此时，压力表应该显示管路内压力增加，打开或关闭给水管的出水阀门，系统正常取水或闭水。

3 工程实例

工厂化水产养殖车间有两个圆形水池每天需要进行补水，且每天的补水量不确定，每个圆形池的直径为6.8 m、设计水深1.2 m、水体总体积为87.12 m3。工程实施前采用临时接管的方式，操作人员大量精力用在架管、固定、接线、接泵、给电、进水、监控水位、关泵、断电、撤线、撤管等工作上，浪费大量的人力资源。

工程实例根据现场实际情况，选用上海人民QY25-17-2.2型号，扬程17 m、流量25 m3/h、口径2.5英寸、电压380 V、功率2.2 kW的潜水泵。考虑到今后备用潜水泵的冗余，实例选用深圳民控的MK-55-1-1型成套变频柜，配置5.5 kW高精度矢量变频器。并按相关安装规范敷设了给水管路和供电管路。系统运行稳定，大幅度减少了操作人员的劳动强度，取得了较好的经济效益和社会效益。