气压给水设备的作用(恒压供水系统及其设计选型)

常用供水工艺：

水箱/水塔供水：重力供水。

特点：供水压力比例恒定，有储水；

缺点：要建水塔或水箱，面积大，不美观等。

气压供水：管道加压。

特点：灵活，建设快，无污染，改变压力罐，压力来改变供水压力；

缺点：需要压力罐，投资大，压力变化大，运行效率低，能耗大。

压力水罐供水：潜水泵打水到水罐，加压，进行供水。

变频恒压供水：

恒压要求：随供用水量等参数变化，保持供水压力不变；恒压供水控制系统构成：变频器，PLC，电控器件。

主要应用场合：高层建筑，居民小区，企事业等用水，工业需要恒压供水，冷却水循环，热力水循环，锅炉补水等。

中央空调系统，自来水厂增压系统，农田灌溉，污水处理，人造喷泉，各种流体恒压控制系统。

水泵机械特性：

水泵供水基本模型及参数：

流量，m3/S；扬程，M；全扬程，M；实际扬程，M；损失扬程，M；管阻；压力。

供水系统特性：

管阻特性：流量越大，扬程越大，曲线1；

扬程特性：流量越大，系统扬程越小，曲线2；

系统工作点：

扬程曲线和管阻曲线的交点，供水工作点，A；

阀门开度100%，转速100%，额定工作点，自然工作点；

供水功率：PG=CPHTQ

Cp为比例常数；

供水系统的额定功率与面积ODAG成正比。

节能原理：

调节流量：

阀门控制法：泵供水能力不变，改变管阻力来改变供水量；管阻特性随阀门开度改变而改变，扬程特性不变。流量从QA→QB，管阻曲线从2→3，供水功率与面积OEBF正比。

转速控制法：改变泵的扬程来适应用户对流量的要求；

泵转速改变，扬程特性改变，管阻特性不变。

流量从QA→QB，管阻曲线从1→4，供水功率与面积OECH正比。

节能理解：供水功率的比较；

节约的功率与HCBF成正比。

泵的工作效率的比较：

Y=C1(Q/N)-C2(Q/N)

C1、C2为常数。

电动机效率的比较：裕量大，效率和功率低；低频低压，提高效率。

根据水泵流量Q，扬程H，功率P和转速N之间的关系：

Q1/Q2＝n1/n2；

H1/H2＝(n1/n2)2；

P1/P2＝(n1/n2)3

可知：流量Q与转速N的一次方成正比；扬程H与与转速N成平方比；而功率P与转速N成立方比。

若转速下降20%，则轴功率对应下降49%，由此可见，采用变频调速可以大幅降低电机的电耗。

变频调速恒压供水系统：

恒压供水的目的：满足用户对流量的需求。流量为供水系统的基本控制对象；管道供水压力，作为控制流量大小的参变量；利用变频器内部PID调节压力。

多台水泵变频调速时的切换控制：

多台水泵同时供水，多用多开，少用少开：1控1；2控3；2控4；3控5；1控X。

1控X切换过程分析：

电磁过渡过程：发电状态。

定子绕组电动势在不同时刻的计算数据，如下表：

拖动系统制动过程：

自由制动转速，Nt=NMNe^(-T/tM)，tM机械时间常数

不同机械tM差别很大，水泵tM≥0.7~1s。

切换注意事项：

一般，电机切换时的转速不低于额定转速的80%；

避免切换冲击电流；

切换接触器触点电流加大，1.5~2.5倍。

水箱水位控制：

水箱水位控制：水面（或液面）的位置限制在一定范围内的控制。

应用场合：水塔供水；锅炉或其他水位或液面控制；

水塔供水：水面（或液面）的位置限制在一定范围内的控制。

当水位低于下限时LL时，启动水泵；当水位高于LH时，停水泵，每次启动都是提供一定容积的水。

水箱水位控制节能分析：

分析依据：

不同转速下，提供相同容积的水作为比较的基础；

转速N1,流量Q1,提供容积V所需时间t1；

转速N2,流量Q2,提供容积V所需时间t2；

那么，V=Q1*t1=Q2*t2

节能举例：

额定转速n1=nN下，以额定流量供容积V所需时间t1=1h，那么消耗电功率为额定功率，消耗的电能为W1=P1*1；

转速下降为n2=0.8nN下，那么供水流量Q2=0.8Q1,供容积V所需时间t2=t1/0.8=1.25h，那么消耗电功率P2=0.8^3*P1=0.512P1，供容积V的水消耗的电能为W2=P2*1.25=0.512P1*1.25=0.64W1

那么，两者比较节能为36%。

中央空调系统构成：

冷冻水循环系统；冷却水循环系统；

水泵的转速只改变流量，与扬程无关。

流量与转速成正比，水泵功率与转速的二次方成正比。

冷冻水循环系统：

压差控制：以压差作为控制依据，保证最高楼层的冷冻水足够的压力。

温度或温差控制：保证房间的温度。

综合控制：

压差为主，温度为辅；

温度为主，压差为辅。

典型系统结构：

变频恒压供水机组原理：

变频恒压供水机组的原理来自于水泵比例律，而水泵比例律是由水泵的相似律推导而来的。

水泵的相似律：

图中显示全速运转n1与变速转速n2时，水泵的性能曲线。假设我们将Qb与Hb作为水泵额定参数，在系统需水量为Qa时，从上图n2曲线我们可以看出，转速下降为n2时，依然可以保证系统压力Hb，但从功率曲线可以看出此时与n1转速时的功率差ΔP=Pa-P，即节省的电能，ΔH可看作是节省的无用扬程，由此可知，利用变频控制可实现稳压和省电的功能。

变频恒压供水通常有两种工作模式：

1.变频泵固定工作模式：

投入：当用水量小于一台泵在工频恒压条件下的流量，由一台变频泵调速恒压供水；当用水量增大时，变频泵的转速上升，当变频泵转速上升到工频转速，而用水量进一步增大，由变频供水控制器自动启动一台工频泵投入，该工频泵提供的流量是恒定的(工频转速恒压下的流量),其余各并联工频泵按相同的原理投入。

退出：当用水量下降，变频调速泵的转速下降，当频率下降 到零流量的时候，变频供水控制器发出一个指令，自动关闭一台工频泵使之超出并联供水。为了减少工频泵自动投入或超出时的冲击（水力的或电流的冲击）。在投入时，变频泵的转速 自动下降，然后慢慢上升以满足恒压供水的要求。

2.变频循环软启动工作模式

投入：在这种供水模式中，当供水流量小于变频泵在恒压工频下的流量时，由变频泵自动调速供水，当用水流量增大，变频泵的转速升高，当变频泵的转速升高到工频转速，由变频供水控制器控制把该台水泵切换到由工频电网直接供电(不通过变频器供电)变频器则另外启动一台并联泵投入工作。随着用水流量继续增大，其余各并联泵均按上述相同的方式软启动投入。

退出：当用水流量减小，各并联工频泵按次序关泵退出，并且泵退出的顺序按先投入先关泵退出的原则由变频控制器单板计算机控制。

PID控制的基本原理与在恒压供水中的应用：

PID控制算法可以通过计算机软件编制，由于软件系统的灵活性，还可以进行修正和完善，从而使数字PID具有很大的灵活性和适应性。

PID调节是：Proportional(比例)，Integral（积分），

Differential（微分）。

PID算法：在连续控制系统中采用的PID控制规律为：

P(t)—控制量；Kp—比例增益；e(t)—系统的控制偏差；Ti—积分时间常数；Td—微分时间常数。

恒压供水系统的构成：

由图可知，变频器有两个控制信号：目标信号和反馈信号。

（1）目标信号XT。即给定VRF上得到的信号，该信号是一个与压力的控制目标相对应的值，通常用百分数表示。目标信号也可以由键盘直接给定，而不必通过外接电路来给定。

（2）反馈信号XF。是压力变送器SP反馈回来的信号，该信号是一个反映实际压力的信号。

PID调节原理方框图：

下图所示为变频恒压供水系统的控制框图。

其控制原理是由压力传感器测得供水管网的实际压力，信号比较结果经D/A转换后控制变频器的输出频率，进而控制水泵电动机的转速以达到恒压的目的。

单泵恒压供水系统组成：

变频器有两个控制信号：

1）给定信号XT：

给定信号的大小除了和所要求的压力的控制目标有关外，还和压力传感器SP的量程有关。假设用户要求的供水压力为0.3MPa，压力传感器SP的量程为0～1MPa，则给定值应设定为30％。

2）反馈信号XF是压力传感器SP反馈回来的信号，该信号是一个反映实际压力的信号。

控制方案的确定：

根据设计要求可确定控制方案为：通用变频器+PLC(包括PID)+压力传感器。

变频恒压控制原理图

恒压供水系统流程

恒压供水系统组成：

(1)执行机构：三台大功率主水泵、一台小功率辅助水泵；

(2)信息检测机构：压力传感器、液位传感器；

(3)控制机构：PLC(含PID)、变频器；

(4)报警装置。

控制电路：SA为手动/自动转换开关。

SA打在1的位置为手动控制状态；打在2的状态为自动控制状态。

手动运行时，可用按钮SB1～SB 8控制三台泵的启/停和电磁阀YV2的通/断；

自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。

HL10为自动运行状态电源指示灯。

对变频器频率进行复位时只提供一个触点信号，由于PLC为4个输出占为一组共用一个COM端，而本系统又没有剩下单独的COM端输出组，所以通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复频控制。

图中的Y000～Y005及Y010～Y015为PLC的输出继电器的触点。

恒压供水控制系统程序中所使用的PLC元件及其功能：

PLC系统选型：

如上可知，系统共有开关量输入点6个、开关量输出点12个；模拟量输入点1个、模拟量输出点1个。

选用三菱FX2N-32MR一台、加上一台模拟量扩展模块FX2N-4AD、一台模拟量扩展模块FX2N-2DA构成系统。

整个PLC系统的配置如下图所示。

恒压供水控制系统

系统的电气控制总框图：

其他主要元器件的选型：

水泵机组的选型：

水泵机组的选型一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。

离心泵工作原理：

PLC的选型：PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。

变频器是根据其控制的电机的功率选择的，这里根据要求及便与PLC通信选择如下变频器：

如，三菱FR-A540-55K型变频器,功率为55Kw。

压力传感器的选型：压力传感器是用来采集水压而构成闭环控制系统必不可少的一环，根据要求选：YTZ-150电阻远传压力表和XMT-1270数显仪实现压力的检测、显示和变送。压力表测量范围0~1Mpa，精度1.0；数显仪输出一路4~20mA电流信号给PLC的扩展模块。

液位传感器的选择：液位传感器是控制水池水位，防止电机空转。据要求可选：浮球式液位计。

恒压供水控制系统PLC及扩展模块外围接线图：

火灾时，火灾信号SA1被触动，X000为1。

水位上下限信号分别对应为X001、X002，它们被水淹没时为0，露出时为1。

PLC程序设计：程序包括三部分：主程序、子程序和中断程序。

系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成；

定时中断程序用来实现PID控制的定时采样及输出控制；主程序包括泵切换信号的生成、泵组接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等；

生活及消防双恒压的两个恒压值是采用数字方式直接在程序中设定的。生活供水时系统设定值为满量程的70%，消防供水时系统设定值为满量程的90%；

本系统中PID控制中仅用了比例和积分控制，其回路增益和时间常数可通过工程计算初步确定，还需进一步调整以达到最优控制效果。

变频恒压供水系统流程图：

通过压力传感器检测罐体压力，压力电信号经过自动控制电路识别、放大，控制接触器动作，从而使水泵根据罐体内压力变化，自动运行和停止，达到自动供水的目的。

工作过程：水泵启动，将水通过止回阀注入罐体，从而使罐体内压力增大，当压力达到所设定压力上限时，压力自动控制器自动关闭水泵，使水泵停止运行。由于供水罐体内压力高于供水管网压力，所以能自动降压供水，当压力减小到设定压力下限时，自动控制水泵启动，自动向供水罐内注水，如此往复，使设备不停供水，全自动运行。

变频恒压供水机组结构示意图：

变频恒压供水机组标准配置：水泵(根据供水系统所需扬程流量选择水泵型号与台数)；电控柜(根据水泵型号、台数、变频运行方式选择)；变频器(包含于电控柜中)；远传压力表(考虑到仪表的匹配性，该项与电控柜同时采购)；普通压力表；压力罐；阀门(止回阀/闸阀/弹性减振接头等)；管路(出水总管一套)；底座(采用碳钢焊接整体底座)；其他管路附件。

隔膜压力罐的选型：

确定最大小时用水量Q：

Q—最大小时用水量(m3/h)；

m —用水人数；

qr—用水量标准(升/人·日)；

T—用水时间(小时)一般取24小时；

K—小时变化系数，一般取1.8-2.5。

2.确定气压给水设备最低工作压力P1和最高工作压力P2：

P1—罐内气体最低工作压力(MPa)

h1—水池最低水位至建筑物最高点的垂直差(m)

h2—管网沿程损失(m)

h3—管网局部损失(m)

h4—最不利用水点的流出水头(m)

h5—消防需加水头(m)(如需要消防功能时)

102—换算系数，1 Mpa≈102mH2O

P2—最高工作压力(MPa)

α—最低工作压力与最高工作压力之比，即P1/P2，一般取0.65～0.85。

3.根据Q和(P1+P2)/2选择配套水泵

选定水泵的扬程为H，流量为qb，当H=(P1+P2)/2时，qb≥1.2Q。

4.根据水泵的流量，确定气压水罐调节水容积Vs：

Vs—给水系统所需气压罐调节容积(m3)；

C—安全系数，一般取1.0～1.3；

qb—工作水泵计算流量(m3/h)；

即工作泵组中最大一台水泵在H=(P1+P2)/2时的流量，且该流量应在水泵性能曲线的高效区内。

5.确定气压水罐型号：

V总—气压水罐容积(m3)；

β—气压水罐容积系数取1.05；

α—气压水工作压力之比，取值，与计算P2时应一致。

根据气压水罐的总容积V总及最高工作压力P2，对照气压罐样本，确定气压水罐的规格，使V0≥V总，如一台罐不能满足要求，可用多台罐组合，使∑V0 ≥V总，再根据P2选定气压水罐的工作压力等级。

浮球开关：供水系统中可增设浮球开关，当进水池水位上升或下降到一定值时(该水位值可设定)，浮球开关向控制器发出信号，控制水泵的启停。

采用变频调速恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资量，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有明显的节能效果。

本文来源于互联网，暖通南社整理编辑。