摘要：在供水過程中普遍存在著在不同的時間段中用水量變化較大的現象, 因為在不同的季節、不同的時段, 用戶用水的需求量具有很大的差別, 存在著明顯的用水高低峰特征, 通常市政二次供水設備, 特別是新建項目其80%～90%的時間工作于小流量狀態, 但是設計時往往是按照最大流量設計。因此二次供水系統的給水壓力需要隨用戶的用水需求量變化而變化尤為重要, 可以節約能耗的空間也相當可觀。在低峰時, 如果水泵機組按高峰期的用水量運行, 雖可通過調節閥門來滿足用水需求, 但供水能量在管網中損耗變大, 而且還會導致供水機組在非高效情況下長時間運行, 產生能耗浪費。因此, 供水系統需根據用水需求自動控制供水加壓泵組處于不同的運行狀態, 并達到時刻高效運行的目的, 從而實現節能優化的效果。
關鍵詞：恒壓變頻; 變壓變頻; 節能;
Application of variable pressure and frequency conversion technology in the secondary water supply system
Jiang Feng
一、變壓變頻技術概述
變壓變頻技術是使出廠水壓力隨著送水量的變化而變化, 更大程度上節約了電耗。衡量一個供水系統工作質量的一個基本標準是:必須滿足該供水系統最不利用水點的用水需要, 也就是說, 最不利用水點必須有適當的供水壓力。如過低, 則達不到供水可靠性的基本要求;過高, 則出現不必要的壓力浪費, 影響供水運行的經濟性。
二、恒壓和變壓變頻供水的比較
在二次供水系統中, 變頻調速一般采用以下兩種供水方式:恒壓變頻供水和變壓變頻供水。其中, 前者應用更廣泛, 而后者技術上更為合理, 雖然實施難度更大, 但代表著水泵變頻調速節能技術的發展方向。
恒壓變頻供水方式, 就是針對離心泵“流量大時揚程低, 流量小時揚程高”的特性, 通過控制變頻系統, 無論流量如何變化, 都使水泵運行揚程保持不變, 即為設計揚程。
變壓變頻供水方式和恒壓變頻供水方式的控制原理基本相同, 本質上還是一種恒壓供水只是壓力設置值不同, 為的是保證末端 (管網最不利用水點) 而非始端 (供水設備泵組出口) 控制點的壓力恒定。它使水泵揚程可根據“流量大時管損大, 流量小時管損小”的管路特性進行變化, 由此可知變壓變頻供水在理論上避免了因流量小時而造成的揚程浪費, 節能效果顯然優于恒壓變頻供水。尤其是在管路阻力大, 管路特性曲線陡峭的情況下, 變壓變頻供水的節能優勢會更加明顯。
恒壓變頻供水是指泵組出口壓力保持恒定, 在控制方式上只需在水泵出口設置一個壓力傳感器和設定壓力控制值即可實現恒壓控制且比較簡單易行, 在圖1中表示為表示為H=Hgive (其中Hgive是恒壓設定值) 的直線。當流量變動時, 泵工況點在H=Hgive直線上移動 (A-B-C-D) , 通過變頻控制相應泵轉速由 (n1-n2-n3-n4) , 從而使泵特性曲線也由 (H-Q-1—H-Q-2—H-Q-3—H-Q-4) 變化。根據管道特性可知, 在B、C、D工況點情況下, 因流量減小使管損減小, 故用戶端壓力要相應上升, 這雖然能滿足相應要求, 但會造成一定能量的浪費。因此, 為了進一步節約能源, 應盡量做到用戶端壓力保持不變 (即管網末端最不利點壓力保持不變) , 這種恒壓調節方式, 稱為水泵出口端變壓供水方式。
圖1 變壓變頻供水泵工況移動
總體來說變壓變頻供水與恒壓變頻供水相比, 進一步節約了末端壓頭升高所造成的管道損失增加而損失的功率與水泵所增加的損失功率。這一數值一般占總功率的5%～10%左右。變壓變頻供水優于恒壓變頻供水, 不僅體現在節能上, 而且更有利于管網的穩定運行。采用變壓變頻供水平均節能35%～45%, 高出恒壓變頻供水15%左右。
三、變壓變頻供水的實現方式
變壓變頻供水方式:根據不同流量下的供水需要, 設定與之相對應的管網初始壓力。因此為將水輸送至最不利用水點, 供水主管網所需提供的初始壓力隨流量的變化而變化。
式中:HST—為最不利用水點靜揚程;
HM—最不利用水點的壓力值;
HA—管網初始壓力;
S—管網阻力系數;
Q—管網流量。
圖2 管網特征曲線示意圖
如圖2所示, 其中Q-∑h曲線為管路特性曲線, 根據供水特點, 要完全匹配管路特性曲線的變壓控制很難實現, 故取近似變壓曲線或線性化變壓線控制, 控制系統根據用水量的變化情況設定不同的主干管初始壓力, 同時合理調整水泵的轉速 (及水泵的運行臺數) 達到在保證供水可靠性的前提下, 最大限度地節約能源的目的。與恒壓供水方式不同的是, 控制系統需計算出管網需求流量, 以使系統隨時掌握用水量的變化情況。除壓力設定值不是恒定的外, 該方式具體工作過程與恒壓變頻方式相同。
計算出管網需求流量相對非常關鍵, 通過傳統的增加流量計計量的方式一來增加了成本, 二來有始動流量限制導致小流量時無法檢測。通過在控制系統中增加流量預測模型的方法更具有實際意義。流量預測模型主要依據的是泵特性曲線來實現的。
泵特性曲線的H、Q是一元二次方程關系, 其中a、b、c為常數 (不同型號的水泵的取值都有不同, 根據水泵出廠測試報告即可得到) , n是額定轉速, 為任意轉速。
額定轉速下H=aQ+bQ+c;
在一套確定的供水設備中, a, b, c, n都是固定的, 在初始壓力恒壓運行狀態下H也確定, 通過檢測當前的nr, 就可以反推出當前的流量Q;而確定了當前的流量Q之后, 就可以根據管網特性, 判定管損的情況, 從而將初始壓力H重新調整到變壓點壓力 (變壓點壓力是根據管損情況來設定的, 管損越大則設置越大, 管損越小則設置越小) ;然后系統就自動調節到變壓點壓力恒壓運行狀態, 通過控制系統不斷的流量計算來變動恒定的壓力值, 從而實現了動態平衡, 達到了泵組出水口變壓, 最不利點壓力更平穩的目的。
四、結語
隨著供水行業對節能要求的提高和用戶對供水體驗感的增加, 使用變壓變頻技術取代恒壓變頻技術應用于供水系統是未來的主流趨勢。當然變壓變頻技術在二次供水系統中的廣泛應用也不是一步到位的, 需要行業的不斷發展和技術的沉淀。
參考文獻
[1] 王利平, 劉歡, 鄭天恒.變壓變量供水技術實現的探討[J].冶金能源.2002, 21 (6)
[2] 何政斌, 金海城, 周炳強.變頻調速變壓變流量供水設備的研制及運行效果分析[J].給水排水, 1998, 24 (10)
