魏天云

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建福州　350007)

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變頻給水技術(shù)在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用及節(jié)能分析★

魏天云

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建福州350007)

摘要:結(jié)合建筑給水系統(tǒng)的主要參數(shù)和供水系統(tǒng)的特性，分析比較了閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法調(diào)節(jié)水量的區(qū)別，并分析了水錘效應(yīng)產(chǎn)生的原因和預(yù)防措施，采用變頻調(diào)速有利于消除水錘效應(yīng)，延長水泵的使用壽命。

關(guān)鍵詞:給水系統(tǒng)，閥門控制，轉(zhuǎn)速控制，節(jié)能，水泵

在建筑生活給水系統(tǒng)中，變頻供水是一項(xiàng)重要的技術(shù)，它具有自動(dòng)化程度高、輸水水壓穩(wěn)定、對(duì)水質(zhì)的影響較小，可以根據(jù)用水量大小自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而節(jié)約電能，且維護(hù)管理方便的特點(diǎn)，因而得到了廣泛應(yīng)用。若對(duì)變頻設(shè)備的工作原理了解不透徹，選用不當(dāng)，不但難以發(fā)揮設(shè)備應(yīng)有的使用性能，還會(huì)造成電能的浪費(fèi)，增加投資成本，達(dá)不到預(yù)期效果。因此，有必要先了解變頻給水技術(shù)的原理、節(jié)能效果和對(duì)水泵特性的影響，然后根據(jù)生活給水系統(tǒng)的用水特性、規(guī)模、水質(zhì)特點(diǎn)以及投資成本等綜合考慮選用變頻設(shè)備。

1　住宅建筑給水系統(tǒng)主要參數(shù)

1)揚(yáng)程H。單位質(zhì)量的水從水泵進(jìn)口到出口所增加的能量除以重力加速度。2)靜揚(yáng)程HB。指集水池測(cè)壓管水面與出水池測(cè)壓管水面的標(biāo)高差。3)流量Q。水泵在單位時(shí)間內(nèi)抽送水的體積或質(zhì)量。4)功率P。單位時(shí)間內(nèi)水泵所做的功。5)管阻系數(shù)R。其影響因素較多，一般采用管路特性曲線圖來表示。揚(yáng)程曲線與管阻特性曲線見圖1。

圖1　揚(yáng)程曲線與管阻特性曲線

2　流量調(diào)節(jié)的方法與比較

流量是供水系統(tǒng)中的一個(gè)重要參數(shù)，流量控制好了才能保證節(jié)能?？刂屏髁康姆椒ㄓ袃煞N:閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法［1-4］。

2．1閥門控制法

在水泵轉(zhuǎn)速保持基本不變的情況下(一般是額定轉(zhuǎn)速)，根據(jù)閥門的開度來控制供水系統(tǒng)流量。該方法指的是:流量的大小通過改變管路中阻力的大小來控制，但是不改變水泵自身的供水特性，從而滿足用戶的需求。由圖1可知，假設(shè)通過減小閥門的開度使到達(dá)用戶的流量Qx=60%Qn(Qn為額定流量)，此時(shí)Q—H特性曲線沒有發(fā)生變化，仍然是曲線①，而曲線③是管阻特性曲線，曲線①與曲線③的交點(diǎn)E即為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，偏離了原先的N點(diǎn)，此時(shí)的流量QE(等于Qx)隨之降低，揚(yáng)程變?yōu)镠E，由公式可知，供水功率P1與面積ODEJ之間成正比關(guān)系。

2．2轉(zhuǎn)速控制法

在保持閥門開度不變(一般為最大開度)的情況下，供水流量的大小可以考慮采用改變水泵的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，滿足用戶對(duì)水量不同的需求。水泵的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，管阻特性保持不變，但Q—H特性曲線會(huì)跟著一起發(fā)生變化。

假設(shè)到達(dá)用戶的流量為額定流量的60%，即Qx=60%Qn，可以通過降低水泵的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。此時(shí)，管阻特性曲線沒有發(fā)生改變，仍然是曲線②，但是Q—H特性曲線改變?yōu)榍€④，兩線的交點(diǎn)在C點(diǎn)，即工作點(diǎn)移到C點(diǎn)，其流量大小降到QE(等于Qx)，揚(yáng)程也降到HC，此時(shí)，供水功率PC和ODCK面積之間成正比關(guān)系。

2．3兩種方法的比較

根據(jù)以上的分析可以看出，閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種流量調(diào)節(jié)的方法存在一定的差別。即如果在用戶所需的流量小于給水系統(tǒng)的額定流量(Qx＜100%Qn)的條件下，采用閥門控制的揚(yáng)程要比轉(zhuǎn)速控制的揚(yáng)程大很多。因此，從所消耗的供水功率上來說，采用閥門控制的方式要比轉(zhuǎn)速控制的方式大很多。由此可知，采用變頻調(diào)速的供水系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果。轉(zhuǎn)速控制方式所節(jié)約的供水功率等于閥門控制方式與轉(zhuǎn)速控制方式所消耗的供水功率之差ΔP，其大小和KCEJ面積之間成正比關(guān)系。

2．4從水泵工作效率看節(jié)能

1)將水泵的有效功率P1與軸功率P2的比值定義為工作效率η:

其中，工作效率η分別涉及到供水系統(tǒng)的效率以及水泵自身的效率;軸功率P2指的是電動(dòng)機(jī)的輸出功率;水泵的有效功率P1指的是水泵的輸出功率。

2)水泵的工作效率相對(duì)值η*用式(2)表示:

其中，C1，C2均為常數(shù)，它們之間的關(guān)系是:C1－C2=1;Q*為水泵流量的相對(duì)值;η*為水泵工作效率的相對(duì)值;n*為水泵轉(zhuǎn)速的相對(duì)值。

3)由式(2)可知，減小流量可以通過控制閥門的開度來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檗D(zhuǎn)速不變，即n*=1，則Q*/n*=Q*，說明供水系統(tǒng)的流量降低，則水泵的工作效率也隨著顯著降低。如果閥門的開度保持不變，采用轉(zhuǎn)速控制方式來調(diào)節(jié)流量，因?yàn)榱髁縌*與轉(zhuǎn)速n*之間成正比關(guān)系，此時(shí)Q*/n*的比值恒定。表明采用轉(zhuǎn)速控制方式來調(diào)節(jié)供水流量，可以確保水泵的工作效率一直運(yùn)行在最佳狀態(tài)，其節(jié)能效果更優(yōu)［5-7］。

2．5從電動(dòng)機(jī)的效率看節(jié)能

在供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，水泵的額定揚(yáng)程以及額定流量所受的影響因素較多，比如無法預(yù)測(cè)用戶的管路情況，難以準(zhǔn)確計(jì)算管阻特性等，因此它們所給的裕量較大。這會(huì)出現(xiàn)即使在實(shí)際用水高峰期時(shí)，電動(dòng)機(jī)功率還是偏大，導(dǎo)致它的效率和功率因數(shù)都偏低［8］。如果采用控制轉(zhuǎn)速，即把排水閥全部開啟，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就能適當(dāng)降低，讓它在較低的頻率工作，根據(jù)負(fù)荷的大小來對(duì)輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，就能讓電動(dòng)機(jī)的工作效率處于較高值，從而更好地達(dá)到節(jié)能的效果。

3　水錘效應(yīng)和水泵的壽命

3．1水錘效應(yīng)

異步電動(dòng)機(jī)從啟動(dòng)開始到額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，大概只要花費(fèi)0．25 s，在這極短時(shí)間內(nèi)，管道內(nèi)的水流量就能夠迅速由零增加到額定流量。水在流動(dòng)過程中具有一定的動(dòng)量，并在高壓下會(huì)產(chǎn)生壓縮現(xiàn)象，所以，流量在瞬間內(nèi)的極大變化，會(huì)使管道內(nèi)的水壓過大，流動(dòng)過程中對(duì)管道造成沖擊，并由于卷入空氣而產(chǎn)生空化現(xiàn)象。由于管壁受水壓沖擊而產(chǎn)生噪聲，好像使用錘子來敲打管道發(fā)出的聲音一樣，這就是啟泵水錘效應(yīng)。啟泵水錘效應(yīng)將會(huì)引起管道產(chǎn)生破裂，影響正常供水系統(tǒng)的運(yùn)行，同時(shí)，啟泵水錘效應(yīng)還會(huì)使閥門以及固定件等發(fā)生損壞。

3．2水錘效應(yīng)的原因分析

圖2　異步電動(dòng)機(jī)和水泵在啟動(dòng)過程中的機(jī)械特性示意圖

異步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)以及制動(dòng)過程中所產(chǎn)生的較大轉(zhuǎn)矩是引起水錘效應(yīng)的根源。圖2是異步電動(dòng)機(jī)和水泵在啟動(dòng)過程中的機(jī)械特性示意圖，異步電動(dòng)機(jī)在不同頻率下的機(jī)械特性如曲線①所示，而水泵的機(jī)械特性如曲線②所示，圖2中的陰影部分表示異步電動(dòng)機(jī)與水泵的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩之差T。在異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過程中，其加速的時(shí)間由動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩直接決定［9］:

由圖2a)可以看出，若水泵直接啟動(dòng)，則異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩(圖2a)中的陰影部分)T非常大。即此時(shí)管道壁受水流的沖擊非常大，其水錘效應(yīng)的影響也比較大，所以，要控制好異步電動(dòng)機(jī)在瞬時(shí)加速過程中轉(zhuǎn)矩的變化。

3．3消除水錘效應(yīng)的措施

若通過轉(zhuǎn)速法來控制流量，即選擇變頻調(diào)速來調(diào)節(jié)流量的大小，如圖2b)所示，異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的大小將隨著其加速過程時(shí)間的延長而降低。不同頻率下異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如曲線①所示，并且水泵機(jī)械特性如曲線②所示，中間鋸齒狀線表示的是在不同頻率條件下，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與水泵機(jī)械特性之間的差值，亦即升速過程中的電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。同理，在異步電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行過程中，可以通過延長降速時(shí)間，從而減小其動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，盡量消除水錘效應(yīng)的影響。

3．4延長水泵壽命的措施

通過采用變頻調(diào)速之后，水泵在運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩顯著降低，有利于消除水泵的水錘效應(yīng)的影響，同時(shí)，可以降低葉片所承受的應(yīng)力，減小軸承的磨損，因此水泵以及管道、閥門供水系統(tǒng)的壽命得到明顯提高。

4　結(jié)語

1)通過比較分析閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種流量控制方法的區(qū)別，指出采用轉(zhuǎn)速控制方式來調(diào)節(jié)供水流量可以使水泵和電動(dòng)機(jī)的工作效率處于更高的狀態(tài)，從而更加節(jié)能。

2)提出消除水錘效應(yīng)的措施，采用變頻調(diào)速技術(shù)有利于消除水錘效應(yīng)，提高水泵的使用壽命。

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中圖分類號(hào):TU991

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1009-6825(2016)17-0114-02

收稿日期:2016-04-09 ★:福建省教育廳科技項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):JA15655，JB12356)資助

作者簡介:魏天云(1979-)，女，碩士，副教授，高級(jí)工程師

Application and energy saving analysis of frequency conversion water supply technology in water supply system★

Wei Tianyun
(Fujian Chuanzheng Communications College，F(xiàn)uzhou 350007，China)

Abstract:Combined with the main parameter and characteristics of building water supply system，the difference of the the way of valve control and speed control were analyzed and compared．The reason of water hammer effect was analyzed and preventive measures were put forward，frequency conversion speed regulation could eliminate water hammer effect and extend the life of pump．

Key words:water supply system，valve control，speed control，save energy，pump