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)速是靠其動力設備三相交流異步電動機的調(diào)速性能來實現(xiàn)的。交流異步電動機的轉(zhuǎn)速表達式為：n=60f(1-S)/p(1)式中，n為異步電動機轉(zhuǎn)速，f為電源頻率，S為電動機轉(zhuǎn)差率，P為電動機定子繞組極對數(shù)。從式(1)中可以看出，因電機生產(chǎn)時，P、S已確定，異步電動機的轉(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均勻地改變輸入異步電動機定子的供電頻率，來調(diào)節(jié)電動機轉(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、揚程H、和功率P都隨之相應地改變，其關(guān)系式：Q/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、揚程和功率。由(2)式可以看出，改變水泵的轉(zhuǎn)速，可以改變揚程和流量等，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恒壓供水系統(tǒng)，首先根據(jù)供水范圍內(nèi)最大用水量時，系統(tǒng)所需的供水壓力Ha進行管網(wǎng)壓力設定，如圖1所示，當流量由Qa減少到Qb時，恒速水泵的揚程升至b處，超出了設定的管網(wǎng)壓力Ha，管網(wǎng)壓力傳感器檢測出壓力的上升且輸出信號發(fā)生變化，控制器(PLC)經(jīng)過PID計算，控制變頻器降低輸出頻率，使水泵的運行轉(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段揚程，避免了由于超壓供水造成的電能浪費。反之，流量由Qc增加到Qb時，用水量大，管網(wǎng)壓力下降，經(jīng)壓力信號的反饋，控制器進行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、兩臺水泵電機、壓力設定、液位控制、數(shù)據(jù)顯示和流量積算儀等組成。當變頻器帶動水泵啟動后，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與壓力設定值Ha進行比較后，再按PID控制規(guī)律向變頻調(diào)速器提供控制信號，改變電機的運行頻率和電壓，改變電機轉(zhuǎn)速。這樣，構(gòu)成以設定壓力為基準的壓力控制閉環(huán)系統(tǒng)，見圖2。圖2系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)由75KW和45KW兩臺水泵電機組成，系統(tǒng)具有手動和自動變頻兩種工作方式。變頻調(diào)速供水屬無塔給水，應克服高峰供水能力不足問題，但高峰用水時間畢竟不長，大量時間是在低于高峰用水量下運行，尤其在夜間用水量較少，泵效率低，為了降低小流量時大泵運行的能耗，在用水量較少的情況下(如深夜)，時間控制器自動改用45KW水泵電機變頻調(diào)速，進一步節(jié)能降耗，提高節(jié)能效果。清水池在液位檢測的同時，具有水位高、低報警，且液位低時自動切斷變頻器供電。變頻調(diào)速器自身具有過壓、過流、斷相、過熱保護和故障顯示等功能。管網(wǎng)壓力設定值可在00.6MPa范圍內(nèi)連續(xù)設定。流量積算儀可顯示瞬時和累計流量1.4 QHBS4H型全自動恒壓變量給水設備1.4.1工作原理及系統(tǒng)原理圖QHBS4H型全自動恒壓變量給水設備是一種采用微機控制的變頻調(diào)速給水設備。具有變流量供水時控制水泵的出口壓力為恒壓或變壓的基本功能。本設備是通過壓力傳感裝置，將實際運行中的壓力信號變換成標準的電信號輸入微機，經(jīng)放大、比較、運算等處理后，得到最佳控制參數(shù)控制水泵機組的轉(zhuǎn)速和運行臺數(shù)，進行變頻調(diào)速運行，滿足實際用水量和壓力要求，從而達到高效節(jié)能和改善供水工況之目的。該設備的系統(tǒng)原理圖如下：1.4.2 QHBS4H型全自動恒壓變量給水設備的工作程序：水泵機組的變頻調(diào)速運行，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，電機立即通過變頻調(diào)速系統(tǒng)提高轉(zhuǎn)速，若用戶用水量減少時，則反之。下面以三臺泵為例詳細說明：1.4.2.1 當用水量在一臺泵額定流量區(qū)間時，1號泵自動啟動實行變頻調(diào)速運行。1.4.2.2 當用水量大于1臺泵，而小于2臺泵的流量時，1號泵自動切換成工頻（即泵的額定轉(zhuǎn)速）運行。2號泵自動啟動實行變頻調(diào)速運行。1.4.2.3 當用水量大于2臺泵，而小于或等于3臺泵的流量時，1號、2號泵自動切換成工頻運行。3號泵自動啟動實行變頻調(diào)速運行。1.4.2.4 當用水量減少時，泵的運行程序則反之。1.4.3 QHBS4B應用QHBS4B型全自動變壓變量給水設備是供水管網(wǎng)中的一種調(diào)節(jié)局部壓力的設備，具有消防、生產(chǎn)和生活給水的特有功能。這種設備的基本原理是：利用在同水泵直接供水系統(tǒng)中并聯(lián)的一個穩(wěn)壓罐，管網(wǎng)用水量的變化直接反應到穩(wěn)壓罐壓力的變化。利用穩(wěn)壓罐壓力變化自動控制水泵的啟、停，達到對管網(wǎng)自動地、不間斷地供水的目的。整套設備以微機作為控制中心，全部工作過程均為高智能自動運行，安全、可靠。以用于消防為例：QHBS4B：該類型設備既有怎么停、啟功能，又可附加停電延時供水功能，是目前世界上廣泛應用的標準型常高壓消防給水設備。其采用微機控制，安全、可靠。只要火災一發(fā)生，即能為供水管網(wǎng)提供設定壓力的消防用水。 設備啟動后，主泵和穩(wěn)壓泵同時向管網(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。當穩(wěn)壓罐的壓力超過設定壓力值P0-P1，達到設定壓力上限值P2時，即停止運轉(zhuǎn)。由于管道都有微小的滲漏，所以管網(wǎng)中的壓力會以極慢的速度下降。當壓力降至設定壓力下限值P1時，穩(wěn)壓泵即啟動向管網(wǎng)加壓，直至壓力升為P2時才停止運轉(zhuǎn)。這樣當一切平安無火警時，消防管網(wǎng)壓力將一直保持在P1、P2之間。當出現(xiàn)火警時，消防器具用水滅火，這時管網(wǎng)壓力會下降。當降至P1時，穩(wěn)壓泵啟動，如果此時壓力仍下降直至設定值P0時，主泵即自動啟動，使壓力保持在P1以上，滿足滅火用水需要?；鹁Ｖ箷r，水泵仍繼續(xù)向管網(wǎng)加壓。當壓力升到P2時，穩(wěn)壓泵停止運轉(zhuǎn)，而主泵仍然以最佳狀態(tài)運轉(zhuǎn)。直到人們完全不再需要時，由專門人員按下控制屏上該泵的手動停止按鈕。（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)電機組，控制系統(tǒng)可以做到常用電源與備用電源自動切換，保持供電正常。2 氣壓罐穩(wěn)壓給水系統(tǒng)氣壓給水設備是根據(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)設備2.2氣壓罐給水系統(tǒng)實例氣壓罐用于頂層消防給水的增壓也是設計常用的一種增壓設施。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)10min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)平時的壓力由穩(wěn)壓泵提供，當壓力升高，達到穩(wěn)壓水容積的高水位時，穩(wěn)壓泵自動停止運行；當壓力降低，達到穩(wěn)壓水容積的低水位時，穩(wěn)壓泵自動開啟，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)。當發(fā)生火災時，隨著消火栓的投入使用，系統(tǒng)壓力開始下降，當降至消防貯水容積的最低水位時，停止穩(wěn)壓泵，自動開啟消防泵滅火。圖2氣壓罐加壓工作原理圖2.2氣壓罐的設計計算氣壓罐增壓系統(tǒng)的設計計算內(nèi)容主要有兩個部分，即氣壓罐總?cè)莘e的計算和每個壓力控制點壓力值的計算?？?cè)莘e的計算確定所選壓力罐的大小，壓力的計算確定穩(wěn)壓泵的啟、停范圍以及開啟消防泵的壓力值。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= VX(1- b)計算。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；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；b為氣壓罐最低工作壓力和最高工作壓力之比（以絕對壓力計），一般宜采用0.650.85。消防貯水總?cè)莘e（VX）：設置氣壓罐的目的是為了保證火災發(fā)生初期消防泵沒有啟動之前消火栓和噴頭所需的水壓，這段時間約為30s。對于消火栓給水系統(tǒng)，按同時使用2支水槍（每支水槍流量5 L/s）計，消防貯水容積為2*5*30=300L；對于自動噴水滅火系統(tǒng)，按5個噴頭同時開啟，每個噴頭以1 L/s計，消防貯水容積為5*1*30=150L。當2個系統(tǒng)共用氣壓罐時，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壓力控制點壓力值的計算氣壓罐設4個壓力控制點，如圖2所示。其中：P1為氣壓罐最低工作壓力點或氣壓罐充氣壓力，即消防貯水容積的下限水位壓力，等于最不利點消火栓所需的水壓Hmin，其計算方法同增壓泵；P2為最高工作壓力，即啟動消防泵的壓力值。按下式計算：P2 =（P1 + 0.098） b - 0.098P01為穩(wěn)壓水容積下限水位壓力，此時啟動穩(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0.020.03 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 + 0.020.03MpaP02 = P01 + 0.050.06Mpa = P2 + 0.070.09MPa2.2.3計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：b = 0.76氣壓罐總?cè)莘e：V= VX(1- b) = 1.1(300+20+50)(1-0.76)=1.70m3選用：SQL10000.6氣壓罐一臺氣壓罐充氣壓力：P1 =Hmin= Hq+ Hd+ HK+h-H = 0.16+0.01+0.02+0.0082-0.04 = 0.14(Mpa)最高工作壓力：P2 =（P1 + 0.098） b - 0.098 = 0.14 0.76-0.098 = 0.22 (Mpa)穩(wěn)壓泵啟動壓力：P01 = P2 + 0.020.03Mpa = 0.22+0.020.03 = 0.240.25(Mpa)穩(wěn)壓泵停泵壓力：P02 = P2 + 0.070.09Mpa = 0.22+0.070.09 = 0.290.31(Mpa)穩(wěn)壓泵揚程：H = (P01 +：P02 )2 = (0.24+0.39)2 = 0.27 (Mpa)穩(wěn)壓泵流量：Q 5.0L/S 選用40LG12-152水泵兩臺 一用一備 每臺：Q = 4.17L/sH = 27mN = 2.2KW2.2.4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流量的要求，所以流量可適當選小一點。對于消火栓系統(tǒng)穩(wěn)壓泵的流量以約小于1個消火栓的出水量計，為5 L/s。噴灑系統(tǒng)穩(wěn)壓泵的流量以約小于1個噴頭的出水量計，為1 L/s。3兩種增壓設施的比較單設管道泵的增壓系統(tǒng)設備簡單，占地面積小，設計與施工都較方便，系統(tǒng)控制簡單，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，可靠的繼電器開停裝置；供電應保證雙回路并能自動切換。此種增壓方式存在的不足之處為：對于管網(wǎng)漏損壓力波動較大的供水系統(tǒng)，管道泵的啟停頻繁，設備容易損害，故障率高，能耗提高，從而增加運行費用。同時消防安全度較低。與單設管道泵的增壓系統(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1次，可以長時間地維持管網(wǎng)壓力，設備啟動次數(shù)少，運行費用低，頂部管網(wǎng)經(jīng)常處于承壓水狀態(tài)，供水安全可靠?；馂某跗?，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可以取得符合壓力要求的消防用水，在這一點上氣壓罐明顯-優(yōu)于增壓泵。但氣壓罐增壓系統(tǒng)也存在不足之處：設備占地面積相對較大，一次性投資相對較高。