恒压和变压变频供水的差异及变压变频供水的实现

　　摘要：在供水过程中普遍存在着在不同的时间段中用水量变化较大的现象, 因为在不同的季节、不同的时段, 用户用水的需求量具有很大的差别, 存在着明显的用水高低峰特征, 通常市政二次供水设备, 特别是新建项目其80%～90%的时间工作于小流量状态, 但是设计时往往是按照最大流量设计。因此二次供水系统的给水压力需要随用户的用水需求量变化而变化尤为重要, 可以节约能耗的空间也相当可观。在低峰时, 如果水泵机组按高峰期的用水量运行, 虽可通过调节阀门来满足用水需求, 但供水能量在管网中损耗变大, 而且还会导致供水机组在非高效情况下长时间运行, 产生能耗浪费。因此, 供水系统需根据用水需求自动控制供水加压泵组处于不同的运行状态, 并达到时刻高效运行的目的, 从而实现节能优化的效果。

　　关键词：恒压变频; 变压变频; 节能;

　　Application of variable pressure and frequency conversion technology in the secondary water supply system

　　Jiang Feng

　　一、变压变频技术概述

　　变压变频技术是使出厂水压力随着送水量的变化而变化, 更大程度上节约了电耗。衡量一个供水系统工作质量的一个基本标准是:必须满足该供水系统最不利用水点的用水需要, 也就是说, 最不利用水点必须有适当的供水压力。如过低, 则达不到供水可靠性的基本要求;过高, 则出现不必要的压力浪费, 影响供水运行的经济性。

　　二、恒压和变压变频供水的比较

　　在二次供水系统中, 变频调速一般采用以下两种供水方式:恒压变频供水和变压变频供水。其中, 前者应用更广泛, 而后者技术上更为合理, 虽然实施难度更大, 但代表着水泵变频调速节能技术的发展方向。

　　恒压变频供水方式, 就是针对离心泵“流量大时扬程低, 流量小时扬程高”的特性, 通过控制变频系统, 无论流量如何变化, 都使水泵运行扬程保持不变, 即为设计扬程。

　　变压变频供水方式和恒压变频供水方式的控制原理基本相同, 本质上还是一种恒压供水只是压力设置值不同, 为的是保证末端 (管网最不利用水点) 而非始端 (供水设备泵组出口) 控制点的压力恒定。它使水泵扬程可根据“流量大时管损大, 流量小时管损小”的管路特性进行变化, 由此可知变压变频供水在理论上避免了因流量小时而造成的扬程浪费, 节能效果显然优于恒压变频供水。尤其是在管路阻力大, 管路特性曲线陡峭的情况下, 变压变频供水的节能优势会更加明显。

　　恒压变频供水是指泵组出口压力保持恒定, 在控制方式上只需在水泵出口设置一个压力传感器和设定压力控制值即可实现恒压控制且比较简单易行, 在图1中表示为表示为H=Hgive (其中Hgive是恒压设定值) 的直线。当流量变动时, 泵工况点在H=Hgive直线上移动 (A-B-C-D) , 通过变频控制相应泵转速由 (n1-n2-n3-n4) , 从而使泵特性曲线也由 (H-Q-1—H-Q-2—H-Q-3—H-Q-4) 变化。根据管道特性可知, 在B、C、D工况点情况下, 因流量减小使管损减小, 故用户端压力要相应上升, 这虽然能满足相应要求, 但会造成一定能量的浪费。因此, 为了进一步节约能源, 应尽量做到用户端压力保持不变 (即管网末端最不利点压力保持不变) , 这种恒压调节方式, 称为水泵出口端变压供水方式。

　　图1 变压变频供水泵工况移动  

　　总体来说变压变频供水与恒压变频供水相比, 进一步节约了末端压头升高所造成的管道损失增加而损失的功率与水泵所增加的损失功率。这一数值一般占总功率的5%～10%左右。变压变频供水优于恒压变频供水, 不仅体现在节能上, 而且更有利于管网的稳定运行。采用变压变频供水平均节能35%～45%, 高出恒压变频供水15%左右。

　　三、变压变频供水的实现方式

　　变压变频供水方式:根据不同流量下的供水需要, 设定与之相对应的管网初始压力。因此为将水输送至最不利用水点, 供水主管网所需提供的初始压力随流量的变化而变化。

　　式中:HST—为最不利用水点静扬程;

　　HM—最不利用水点的压力值;

　　HA—管网初始压力;

　　S—管网阻力系数;

　　Q—管网流量。

　　图2 管网特征曲线示意图   

　　如图2所示, 其中Q-∑h曲线为管路特性曲线, 根据供水特点, 要完全匹配管路特性曲线的变压控制很难实现, 故取近似变压曲线或线性化变压线控制, 控制系统根据用水量的变化情况设定不同的主干管初始压力, 同时合理调整水泵的转速 (及水泵的运行台数) 达到在保证供水可靠性的前提下, 最大限度地节约能源的目的。与恒压供水方式不同的是, 控制系统需计算出管网需求流量, 以使系统随时掌握用水量的变化情况。除压力设定值不是恒定的外, 该方式具体工作过程与恒压变频方式相同。

　　计算出管网需求流量相对非常关键, 通过传统的增加流量计计量的方式一来增加了成本, 二来有始动流量限制导致小流量时无法检测。通过在控制系统中增加流量预测模型的方法更具有实际意义。流量预测模型主要依据的是泵特性曲线来实现的。

　　泵特性曲线的H、Q是一元二次方程关系, 其中a、b、c为常数 (不同型号的水泵的取值都有不同, 根据水泵出厂测试报告即可得到) , n是额定转速, 为任意转速。

　　额定转速下H=aQ+bQ+c;

　　在一套确定的供水设备中, a, b, c, n都是固定的, 在初始压力恒压运行状态下H也确定, 通过检测当前的nr, 就可以反推出当前的流量Q;而确定了当前的流量Q之后, 就可以根据管网特性, 判定管损的情况, 从而将初始压力H重新调整到变压点压力 (变压点压力是根据管损情况来设定的, 管损越大则设置越大, 管损越小则设置越小) ;然后系统就自动调节到变压点压力恒压运行状态, 通过控制系统不断的流量计算来变动恒定的压力值, 从而实现了动态平衡, 达到了泵组出水口变压, 最不利点压力更平稳的目的。

　　四、结语

　　随着供水行业对节能要求的提高和用户对供水体验感的增加, 使用变压变频技术取代恒压变频技术应用于供水系统是未来的主流趋势。当然变压变频技术在二次供水系统中的广泛应用也不是一步到位的, 需要行业的不断发展和技术的沉淀。

　　参考文献

　　[1] 王利平, 刘欢, 郑天恒.变压变量供水技术实现的探讨[J].冶金能源.2002, 21 (6)

　　[2] 何政斌, 金海城, 周炳强.变频调速变压变流量供水设备的研制及运行效果分析[J].给水排水, 1998, 24 (10)