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零流量供水时的*佳停泵控制

1 引言

    为了节能，降低造价，变频调速给水通常采用多泵并联恒压变量供水方式。这是因为：① 一台变频泵与多台工频泵并联，可经实现恒压变流量供水，但要求变频泵是其中*大的一台泵；② 变频器的价格与其功率成正比，多泵并联供水使每台泵的功率下降，变频器的功率相应降低，从而可以降低造价；③ 多泵并联供水使单泵的功率下降，当一台泵变频供水时，能显著改善其节能效果。

    2 变频调速给水停泵控制的*佳方案

    从国内外文献报道及产品样本来看，*佳的多泵并联恒压供水泵解决控制方案是：

    当用水流量小于一台泵的额定流量时，同一台泵恒压供水。按离心泵理论，在相似工况下，水泵的水力功率与三次方转速成正比。当用水流量接近为零(但恒压)时，泵转速*低，其功率也*小。对于常用的离心泵而言，变频恒压供水在零流量下消耗的功率约为相同大小恒速泵额定功率的1/4或更小(与水泵的Q、H外特性、恒压值等有关)，但变频泵长期在零流量下运转并白白消耗能量终究是一个缺点，当泵的功率较大时，此缺点更为突出。

    为了使变频泵在不用水时能够停泵，以便节能，减少泵的磨损，现在国外变频器(具有多泵并联恒压供水控制功能)采用这样的一种控制方案：当变频泵转速(频率)降低至接近零流量阈值时，变频器发出一个指令，使变频泵停泵休息。管网系统中接有一个小气压罐，当变频泵停泵后，由气压罐维持供水；当供水压力降低至某一设定值时，变频器接受此压力信息，使变频泵启动并恢复恒压供水。在实际供水中，并不希望当变频泵转速降低至零流量阈值就立即停泵，而是经过一定时间，经判断并确认没有用水后才停泵。为此，可在电脑控制程序中设置判断程序，以达到此目的。具体方法：当变频泵转速(频率)降低至零流量阈值并持续T时间(T为判断时间，可按需设定)电脑才发出停变频泵的指令，使变频泵自停，此功能称为变频泵自动睡眠功能。在停泵期间，如有人用水并引起管网压力下降，当下降至开泵压力(压力值可按需设定)时，电脑接受此压力信息，下达指令使变频泵自动启动并恢复恒压供水，此功能称为变频泵自动唤醒功能。

    据了解，国内大多数生产变频给水设备的厂家为了使变频给水机在小流量供水时能更好地节约电能和不用水时停泵，在给水系统中设置了一个小气压罐和一个小工频泵。
笔者认为，采用小工频泵和小气压罐的方案存在问题较多，不如采用变频泵自动睡眠和自动唤醒方案。我公司研制生产的智能型变频给水设备已成功应用了变频泵自动睡眠和自动唤醒方案，经试验和交付用户使用证明十分成功。
     当变频恒压供水泵的功率很大，例如一台泵的功率为120kW，在接近零流量供水时，变频泵实际的耗能约1/4×120=30kW。此时，当小流量用水时，变频大泵会消耗相当多的电能。从节能考虑，在小流量用水时宜由小泵供水。为了节能可就用一台变频小泵。其控制系统就这样设计：

    (1) 小流量用水时，求出大泵在恒压小流量供水时的频率，设为(Hz)Qmin。

    (2) 大泵在恒压小流量供水时，当Hz≤(Hz)Qmin，则变频器的一个输出继电器(可编程的)工作，向专用PLC发出一个信息。

    (3) PLC接受上述信息后：

    (a) 控制变频器停止工作；
    (b) 变频器停止后在其输出侧进行切换操作：首先使变频大泵交流接触器脱开，然后使小功率(如30kW)小泵接入；
    (c) 在变频器输出侧切换好后，重新启动变频器，恢复恒压变量供水。

    (4) 由变频器带动小泵(如30kW)进行小流量恒压供水，此时小泵具有自动睡眠与自动唤醒功能，具有小流量供水的*佳节能效果。

    (5) 当用水流量增加，变频器的输出频率上升，当Hz=(Hz)Qmin，变频器的一个可编程输出继电器工作。整个供水系统的工作(2)、(3)所述，水机仍由小泵变频恒压供水不变。

    (6) 当用水流量继续增大，变频器的输出频率继续上升，当Hz=(Hz)Qmin+ΔQ变频器的另一个可编程输出继电器工作，并向专用PLC发出一个信息。

    (7) PLC接受上述信息后

    (a) 控制变频器停止工作；
    (b) 变频器停止后在其输出侧进行以下切换操作：先使小泵的变频交流接触器脱开，然后使120kW大泵接入变频；
    (c) 在变频器输出侧切换好后，重新启动变频器，恢复恒压变量供水。

    (8) 由变频器带动120kW大泵进行小流量恒压供水，例如由3台大泵并��，则*大供水功率可达120×3=360kW。

    3 ABB智能型变频供水设备的应用

    变频泵的自动睡眠和自动唤醒控制方案已经在具有PFC宏(泵和风机控制)的ABB变频器上应用。在自动睡眠时，水泵自停，完全不消耗电能，具有*佳的节能效果。在停泵期间，为了维持供水，系统中设有一个小气压罐，在变频泵自动睡眠期间，由小气压罐维持供水。当气压罐压力降低至某一设定值时，变频泵自动唤醒，恢复恒压供水。

    利用ABB变频器的上述功能可以设计成以下系列的智能型变频给水设备：

    以上各型号变频气压式给水设备在我公司已批量生产，并已交付用户使用，性能十分满意，其流程分别如图1～6所示。

    (1) YLD-BP-S系列智能型生活变频给水设备。

    图1为4台泵并联恒压变量或准变压变量供水的情况，其中B1为变频泵，B2、B3、B4为工频泵，各泵的运行由变频控制柜(DK)控制。

    当用水流量小于一台泵的额定流量时，由变频泵B1变频恒压变量供水；当用水流量大于一台泵在工频情况下的额定流量时，工频泵B21自动投入与变频泵B1并联恒压变量供水(当准变压变量供水时，则每投入一台工频泵，恒压值上升一个台阶ΔP，ΔP可按需设定)。
     当用水流量进一步减少时，变频泵B1的转速自动下降以维持恒压供水。当用水流量接近于零(接近的程度由调试者确定)时，变频泵以接近零流量的低速运行。当低速运行T时间(T值可设定，改变)时，变频泵自停(睡眠)，由气压罐维持供水；当气压罐压力降至某一设定值时，变频泵自动启动(唤醒)以维持恒压供水。

    具有恒压(准恒压)供水控制功能的ABB变频器(具有PFC应用宏的ABB变频器)具有以上控制功能。该变频器的一个可编程输出继电器可带动一台工频泵。当工频泵的数量多于可编程输出继电器的数目时，可用ND10模块进行扩展。

    (2) YLD-BP-X系列智能型变频稳压工频消防给水设备。

    B0为变频稳压泵，由具有恒压供水控制功能的变频器控制

    B1、B2、B3为工频消防泵，由PLC控制

    平时由变频稳压泵向消防管网充水稳压使之处于准备消防状态。当管网稳压至设定压力时，稳压泵的流量接近于零并维持时间T(T可设定)，变频稳压泵自动停泵(睡眠)休息，由气压罐维持稳压；当消防管网的压力下降至某一设定值时，变频稳压泵自动启动恢复恒压稳压(自动唤醒)。变频稳压是间歇工作的，停歇的时间很长，没必要设置备用泵，以降低造价。

    当接到消防信号后，由PLC控制主消防泵(**台)工频启动，投入消防。其他各台消防泵(含消防备用泵)由装在消防管网上的电接点压力表控制自动投入或自动退出。具体控制方式如下：在主消防泵已投入运行的条件下，如管网压力不足(低于电接点压力表设定的*低消防压力)，则由PLC控制，下一台消防泵(包括备用泵)自动投入以提供充足的消防流量。

    消防结束，PLC可以接受人工指令，停止消防(所有消防泵停泵)。

    本设备可与消防控制中心联网，具有消防联动控制功能。消防自动控制可按用户的要求进行设计。

    (3) YLD-BP-S(X)系列智能型变频生活消防共用给水设备。

    B1、B2、B3、B4为生活泵(台数按需设置)，既按恒压变量运行，也可按准变压变量运行

    B5、B6为工频消防泵(台数按需设置，按我国消防规范至少设一台备用泵)

    当夜间不用水时，变频生活泵能自动睡眠停泵，恢复用水时变频泵能自动唤醒启泵。

    当接到消防信号(无源接点闭合)，由PLC控制，主消防泵工频启动，其工作原理同上述YLD-BP- X设备。

    (4) YLD-BP-GXZ系列智能型变频高位消防水箱增压设备。

    该设备由一台变频增压泵、一个气压罐组成的机械部分和智能型变频控制柜组成。变频拉压泵变频恒压工作，当管网增压至设定值(即恒压值，可调)，增压泵流量Q≈0并持续时间T后(T值可设定，改变)，变频泵自停。在停泵期间，由气压罐维持增压。当管网压力下降至设定值(可设定，改变)时，由ABB变频器控制，变频泵自动唤醒工作，对消防管网增压、恒压。考虑到高位消防水箱增压泵是间歇工作的，停歇的时间很长，按我公司的经验，为降低造价，没必要设置备用增压泵。

    (5) YLD-BP-GB系列智能型变频锅炉补水稳压设备。

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