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1、 1 水泵變頻調(diào)速給水系統(tǒng) 1.1　水泵變頻調(diào)速的基本原理 水泵變頻調(diào)速是靠其動(dòng)力設(shè)備三相交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為： n=60f(1-S)/p　(1) 式中，n為異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，f為電源頻率，S為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率，P為電動(dòng)機(jī)定子繞組極對(duì)數(shù)。 　　從式(1)中可以看出，因電機(jī)生產(chǎn)時(shí)，P、S已確定，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨電源頻率的增大而增加，隨電源頻率的減少而降低。交流變頻器正是通過(guò)均勻地改變輸入異步電動(dòng)機(jī)定子的供電頻率，來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的。 　　又根據(jù)水泵的比例定律，改變轉(zhuǎn)速n，可使水泵的流量Q、揚(yáng)程H、和功率P都隨之相應(yīng)地改變，其關(guān)系式： Q

2、/Q1=n/n1，H/H1=(n/n1)2，P/P1=(n/n1)3…(2)， 式中，n1、Q1、H1、P1分別為改變后的水泵轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程和功率。 　　由(2)式可以看出，改變水泵的轉(zhuǎn)速，可以改變揚(yáng)程和流量等，可以滿足供水要求，隨著轉(zhuǎn)速的降低，水泵消耗的功率與轉(zhuǎn)速相比，是以立方根的方式下降的，節(jié)能效果顯著。 1.2　變頻調(diào)速恒壓供水原理 　　全自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)，首先根據(jù)供水范圍內(nèi)最大用水量時(shí)，系統(tǒng)所需的供水壓力Ha進(jìn)行管網(wǎng)壓力設(shè)定，如圖1所示，當(dāng)流量由Qa減少到Qb時(shí)，恒速水泵的揚(yáng)程升至b處，超出了設(shè)定的管網(wǎng)壓力Ha，管網(wǎng)壓力傳感器檢測(cè)出壓力的上升且輸出信號(hào)發(fā)生變化，控制器(PLC

3、)經(jīng)過(guò)PID計(jì)算，控制變頻器降低輸出頻率，使水泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速由n1減少到n2，保持管網(wǎng)恒壓在Ha處，這樣比恒速泵減少了bb段揚(yáng)程，避免了由于超壓供水造成的電能浪費(fèi)。反之，流量由Qc增加到Qb時(shí)，用水量大，管網(wǎng)壓力下降，經(jīng)壓力信號(hào)的反饋，控制器進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，控制變頻器輸出頻率增加，水泵轉(zhuǎn)速由n3升至n2，保持管網(wǎng)壓力恒定在Ha處，既保證了末端用水的需求，保證供水，又避免了水泵轉(zhuǎn)速過(guò)高，增加不必要的電能消耗。 圖1　變頻調(diào)速恒壓供水原理 1.3　系統(tǒng)組成及應(yīng)用 　　變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由壓力變送器、可編程控制器(PLC)、變頻調(diào)速器、兩臺(tái)水泵電機(jī)、壓力設(shè)定、液位控制、數(shù)據(jù)顯示和流量積算儀

4、等組成。當(dāng)變頻器帶動(dòng)水泵啟動(dòng)后，壓力變送器向PLC反饋供水管網(wǎng)壓力H，PLC將管網(wǎng)壓力H與壓力設(shè)定值Ha進(jìn)行比較后，再按PID控制規(guī)律向變頻調(diào)速器提供控制信號(hào)，改變電機(jī)的運(yùn)行頻率和電壓，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。這樣，構(gòu)成以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的壓力控制閉環(huán)系統(tǒng)，見(jiàn)圖2。 圖2　系統(tǒng)原理圖 系統(tǒng)由75KW和45KW兩臺(tái)水泵電機(jī)組成，系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)變頻兩種工作方式。變頻調(diào)速供水屬無(wú)塔給水，應(yīng)克服高峰供水能力不足問(wèn)題，但高峰用水時(shí)間畢竟不長(zhǎng)，大量時(shí)間是在低于高峰用水量下運(yùn)行，尤其在夜間用水量較少，泵效率低，為了降低小流量時(shí)大泵運(yùn)行的能耗，在用水量較少的情況下(如深夜)，時(shí)間控制器自動(dòng)改用45KW水泵電機(jī)

5、變頻調(diào)速，進(jìn)一步節(jié)能降耗，提高節(jié)能效果。清水池在液位檢測(cè)的同時(shí)，具有水位高、低報(bào)警，且液位低時(shí)自動(dòng)切斷變頻器供電。變頻調(diào)速器自身具有過(guò)壓、過(guò)流、斷相、過(guò)熱保護(hù)和故障顯示等功能。管網(wǎng)壓力設(shè)定值可在0—0.6MPa范圍內(nèi)連續(xù)設(shè)定。流量積算儀可顯示瞬時(shí)和累計(jì)流量 1.4 QHBS—4H型全自動(dòng)恒壓變量給水設(shè)備 1.4.1工作原理及系統(tǒng)原理圖 QHBS—4H型全自動(dòng)恒壓變量給水設(shè)備是一種采用微機(jī)控制的變頻調(diào)速給水設(shè)備。具有變流量供水時(shí)控制水泵的出口壓力為恒壓或變壓的基本功能。本設(shè)備是通過(guò)壓力傳感裝置，將實(shí)際運(yùn)行中的壓力信號(hào)變換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)輸入微機(jī)，經(jīng)放大、比較、運(yùn)算等處理后，得到最佳控制參數(shù)

6、控制水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行臺(tái)數(shù)，進(jìn)行變頻調(diào)速運(yùn)行，滿足實(shí)際用水量和壓力要求，從而達(dá)到高效節(jié)能和改善供水工況之目的。該設(shè)備的系統(tǒng)原理圖如下： 1.4.2 QHBS—4H型全自動(dòng)恒壓變量給水設(shè)備的工作程序： 水泵機(jī)組的變頻調(diào)速運(yùn)行，其目的是為了滿足用戶需要多少水，水泵就提供多少水。即：用戶用水量增大時(shí)，電機(jī)立即通過(guò)變頻調(diào)速系統(tǒng)提高轉(zhuǎn)速，若用戶用水量減少時(shí)，則反之。下面以三臺(tái)泵為例詳細(xì)說(shuō)明： 1.4.2.1 當(dāng)用水量在一臺(tái)泵額定流量區(qū)間時(shí)，1號(hào)泵自動(dòng)啟動(dòng)實(shí)行變頻調(diào)速運(yùn)行。 1.4.2.2 當(dāng)用水量大于1臺(tái)泵，而小于2臺(tái)泵的流量時(shí)，1號(hào)泵自動(dòng)切換成工頻（即泵的額定轉(zhuǎn)速）運(yùn)行。2號(hào)泵

7、自動(dòng)啟動(dòng)實(shí)行變頻調(diào)速運(yùn)行。 1.4.2.3 當(dāng)用水量大于2臺(tái)泵，而小于或等于3臺(tái)泵的流量時(shí)，1號(hào)、2號(hào)泵自動(dòng)切換成工頻運(yùn)行。3號(hào)泵自動(dòng)啟動(dòng)實(shí)行變頻調(diào)速運(yùn)行。 1.4.2.4 當(dāng)用水量減少時(shí)，泵的運(yùn)行程序則反之。 1.4.3 QHBS—4B應(yīng)用 QHBS—4B型全自動(dòng)變壓變量給水設(shè)備是供水管網(wǎng)中的一種調(diào)節(jié)局部壓力的設(shè)備，具有消防、生產(chǎn)和生活給水的特有功能。這種設(shè)備的基本原理是：利用在同水泵直接供水系統(tǒng)中并聯(lián)的一個(gè)穩(wěn)壓罐，管網(wǎng)用水量的變化直接反應(yīng)到穩(wěn)壓罐壓力的變化。利用穩(wěn)壓罐壓力變化自動(dòng)控制水泵的啟、停，達(dá)到對(duì)管網(wǎng)自動(dòng)地、不間斷地供水的目的。整套設(shè)備以微機(jī)作為控制中心

8、，全部工作過(guò)程均為高智能自動(dòng)運(yùn)行，安全、可靠。 以用于消防為例： QHBS—4B：該類型設(shè)備既有怎么停、啟功能，又可附加停電延時(shí)供水功能，是目前世界上廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)型常高壓消防給水設(shè)備。其采用微機(jī)控制，安全、可靠。只要火災(zāi)一發(fā)生，即能為供水管網(wǎng)提供設(shè)定壓力的消防用水。 設(shè)備啟動(dòng)后，主泵和穩(wěn)壓泵同時(shí)向管網(wǎng)和穩(wěn)壓罐供水，壓力傳感器向控制系統(tǒng)反饋壓力信號(hào)。當(dāng)穩(wěn)壓罐的壓力超過(guò)設(shè)定壓力值P0-P1，達(dá)到設(shè)定壓力上限值P2時(shí)，即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。由于管道都有微小的滲漏，所以管網(wǎng)中的壓力會(huì)以極慢的速度下降。當(dāng)壓力降至設(shè)定壓力下限值P1時(shí)，穩(wěn)壓泵即啟動(dòng)向管網(wǎng)加壓，直至壓力升為P2時(shí)才停止運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣當(dāng)一切平安無(wú)

9、火警時(shí)，消防管網(wǎng)壓力將一直保持在P1、P2之間。 當(dāng)出現(xiàn)火警時(shí)，消防器具用水滅火，這時(shí)管網(wǎng)壓力會(huì)下降。當(dāng)降至P1時(shí)，穩(wěn)壓泵啟動(dòng)，如果此時(shí)壓力仍下降直至設(shè)定值P0時(shí)，主泵即自動(dòng)啟動(dòng)，使壓力保持在P1以上，滿足滅火用水需要?；鹁Ｖ箷r(shí)，水泵仍繼續(xù)向管網(wǎng)加壓。當(dāng)壓力升到P2時(shí)，穩(wěn)壓泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，而主泵仍然以最佳狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)。直到人們完全不再需要時(shí)，由專門人員按下控制屏上該泵的手動(dòng)停止按鈕。（此乃部頒規(guī)范規(guī)定）。若用戶需要，可附加備用電源UPS或發(fā)電機(jī)組，控制系統(tǒng)可以做到常用電源與備用電源自動(dòng)切換，保持供電正常。 2

10、氣壓罐穩(wěn)壓給水系統(tǒng) 氣壓給水設(shè)備是根據(jù)波義耳－馬略特定律即在定溫條件下，一定質(zhì)量氣體的絕對(duì)壓力和它所占的體積成反比的原理制造的。它利用密閉罐中壓縮空氣的壓力變化，調(diào)節(jié)和壓送水量，在給水系統(tǒng)中主要起增壓和水量調(diào)節(jié)作用。 2.1 氣壓罐工作原理 2.1.1 玻義耳-馬略特定律 2.1.2 氣壓罐工作過(guò)程 2.1.2.1氣壓罐蓄水 2.1.2.2 氣壓罐出水 2.2氣壓罐給水系統(tǒng)設(shè)備 2.2氣壓罐給水系統(tǒng)實(shí)例 氣壓罐用于頂層消防給水的增壓也是設(shè)計(jì)常用的一種增壓設(shè)施。氣壓罐的主要作用是提供足夠的消防水壓，而貯存少量的消防用水，室內(nèi)1

11、0min的消防水量仍然貯存在屋頂水箱中，因此，消防氣壓罐的容積較小，這是與其它氣壓給水系統(tǒng)的不同之處。 2.1氣壓罐的工作原理 　　消防氣壓罐的消防水總?cè)莘e分為3個(gè)部分，即消防貯水容積（調(diào)節(jié)容積）、緩沖水容積和穩(wěn)壓水容積，如圖2所示。系統(tǒng)平時(shí)的壓力由穩(wěn)壓泵提供，當(dāng)壓力升高，達(dá)到穩(wěn)壓水容積的高水位時(shí)，穩(wěn)壓泵自動(dòng)停止運(yùn)行；當(dāng)壓力降低，達(dá)到穩(wěn)壓水容積的低水位時(shí)，穩(wěn)壓泵自動(dòng)開(kāi)啟，將穩(wěn)壓水容積提升到最高水位。如此循環(huán)以保持系統(tǒng)的高壓狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，隨著消火栓的投入使用，系統(tǒng)壓力開(kāi)始下降，當(dāng)降至消防貯水容積的最低水位時(shí)，停止穩(wěn)壓泵，自動(dòng)開(kāi)啟消防泵滅火。 圖2　氣壓罐加壓工作原理圖 2.2氣

12、壓罐的設(shè)計(jì)計(jì)算 　　氣壓罐增壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容主要有兩個(gè)部分，即氣壓罐總?cè)莘e的計(jì)算和每個(gè)壓力控制點(diǎn)壓力值的計(jì)算?？?cè)莘e的計(jì)算確定所選壓力罐的大小，壓力的計(jì)算確定穩(wěn)壓泵的啟、停范圍以及開(kāi)啟消防泵的壓力值。 2.2.1氣壓罐的總?cè)莘eV 　　氣壓罐的總?cè)莘e一般按公式V= βVX(1- αb)計(jì)算。 　　式中：V為氣壓罐的總?cè)莘em3；VX為消防水總?cè)莘e等于消防貯水容積、緩沖水容積和穩(wěn)壓水容積之和；β為氣壓罐的容積系數(shù)，臥式、立式、隔膜式氣壓罐的容積系數(shù)分別為1.25，1.10和1.05；αb為氣壓罐最低工作壓力和最高工作壓力之比（以絕對(duì)壓力計(jì)），一般宜采用0.65～0.85。 　　消防貯水

13、總?cè)莘e（VX）：設(shè)置氣壓罐的目的是為了保證火災(zāi)發(fā)生初期消防泵沒(méi)有啟動(dòng)之前消火栓和噴頭所需的水壓，這段時(shí)間約為30s。對(duì)于消火栓給水系統(tǒng)，按同時(shí)使用2支水槍（每支水槍流量5 L/s）計(jì)，消防貯水容積為2*5*30=300L；對(duì)于自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，按5個(gè)噴頭同時(shí)開(kāi)啟，每個(gè)噴頭以1 L/s計(jì)，消防貯水容積為5*1*30=150L。當(dāng)2個(gè)系統(tǒng)共用氣壓罐時(shí)，消防貯水總?cè)莘e為300+150=450L。 　　緩沖水容積V1一般不小于20L，穩(wěn)壓水容積V2一般不小于50L。 2.2.2壓力控制點(diǎn)壓力值的計(jì)算 　　氣壓罐設(shè)4個(gè)壓力控制點(diǎn)，如圖2所示。其中：P1為氣壓罐最低工作壓力點(diǎn)或氣壓罐充氣壓力，即消防

14、貯水容積的下限水位壓力，等于最不利點(diǎn)消火栓所需的水壓Hmin，其計(jì)算方法同增壓泵；P2為最高工作壓力，即啟動(dòng)消防泵的壓力值。按下式計(jì)算： 　　P2 =（P1 + 0.098） αb - 0.098 　　P01為穩(wěn)壓水容積下限水位壓力，此時(shí)啟動(dòng)穩(wěn)壓泵；P02為穩(wěn)壓水容積上限水位壓力，即氣壓罐最高工作壓力，此時(shí)停止穩(wěn)壓泵。 　　由于壓力傳感器有精度、穩(wěn)定性的要求，一般使緩沖水容積的上、下限水位壓差不小于0.02~0.03 Mpa；穩(wěn)壓水容積的上、下限水位壓差不小于0.05 ~0.06Mpa。則： 　　P01 = P2 + 0.02~0.03Mpa　　　　P02 = P01 + 0.05~0

15、.06Mpa = P2 + 0.07~0.09MPa 2.2.3計(jì)算舉例 　　筆者在一棟建筑高度接近100m的一類綜合樓建筑中，頂部幾層采用立式氣壓罐穩(wěn)壓，屋頂水箱至頂層消火栓栓口的距離:H = 4m。屋頂水箱至頂層消火栓處的水頭損失∑h=0.82m 　　氣壓罐工作壓力比：αb = 0.76 　　氣壓罐總?cè)莘e：V= βVX(1- αb) = 1.1(300+20+50)(1-0.76)=1.70m3 　　選用：SQL10000.6氣壓罐一臺(tái) 　　氣壓罐充氣壓力： 　　P1 =Hmin= Hq+ Hd+ HK+∑h-H = 0.16+0.01+0.02+0.0082-0.04 =

16、0.14(Mpa) 　　最高工作壓力：P2 =（P1 + 0.098） αb - 0.098 = 0.14 0.76-0.098 = 0.22 (Mpa) 　　穩(wěn)壓泵啟動(dòng)壓力：P01 = P2 + 0.02~0.03Mpa = 0.22+0.02~0.03 = 0.24~0.25(Mpa) 　　穩(wěn)壓泵停泵壓力：P02 = P2 + 0.07~0.09Mpa = 0.22+0.07~0.09 = 0.29~0.31(Mpa) 　　穩(wěn)壓泵揚(yáng)程：H = (P01 +：P02 )2 = (0.24+0.39)2 = 0.27 (Mpa) 　　穩(wěn)壓泵流量：Q ≤5.0L/S 　　選用40

17、LG12-152水泵兩臺(tái) 一用一備 每臺(tái)：Q = 4.17L/s　　H = 27m　　N = 2.2KW 2.2.4穩(wěn)壓泵的流量 　　由于消防初期流量由氣壓罐供給，泵的流量只需考慮系統(tǒng)的滲漏量或氣壓罐對(duì)流量的要求，所以流量可適當(dāng)選小一點(diǎn)。對(duì)于消火栓系統(tǒng)穩(wěn)壓泵的流量以約小于1個(gè)消火栓的出水量計(jì)，為≤5 L/s。噴灑系統(tǒng)穩(wěn)壓泵的流量以約小于1個(gè)噴頭的出水量計(jì)，為≤1 L/s。 3　兩種增壓設(shè)施的比較 　　單設(shè)管道泵的增壓系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單，占地面積小，設(shè)計(jì)與施工都較方便，系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，保證系統(tǒng)正常工作的前提是需選擇性能良好的低功率管道泵，可靠的繼電器開(kāi)停裝置；供電應(yīng)保證雙回路并能自動(dòng)切換。此種增

18、壓方式存在的不足之處為：對(duì)于管網(wǎng)漏損壓力波動(dòng)較大的供水系統(tǒng)，管道泵的啟停頻繁，設(shè)備容易損害，故障率高，能耗提高，從而增加運(yùn)行費(fèi)用。同時(shí)消防安全度較低。 　　與單設(shè)管道泵的增壓系統(tǒng)相比，氣壓罐不但能調(diào)節(jié)容積（貯存30s的室內(nèi)消防用水），更重要的是貯存能量。穩(wěn)壓泵每啟動(dòng)1次，可以長(zhǎng)時(shí)間地維持管網(wǎng)壓力，設(shè)備啟動(dòng)次數(shù)少，運(yùn)行費(fèi)用低，頂部管網(wǎng)經(jīng)常處于承壓水狀態(tài)，供水安全可靠?；馂?zāi)初期，氣壓罐不但能保證頂部幾層消火栓和噴頭的壓力要求，而且能提供30s的室內(nèi)消防用水（450L）。即消火栓或噴頭隨時(shí)可以取得符合壓力要求的消防用水，在這一點(diǎn)上氣壓罐明顯-優(yōu)于增壓泵。但氣壓罐增壓系統(tǒng)也存在不足之處：設(shè)備占地面積相對(duì)較大，一次性投資相對(duì)較高。