【文章內(nèi)容簡介】 (3－10)由式(3－10)可以得到如圖32所示的管路。 水泵工作點的確定和調(diào)節(jié)1．水泵工作點的確定如果把某一水泵的性能曲線（即H～Q曲線）和管路性能曲線畫在同一坐標系中，圖32所示，則這兩條曲線的交點A就是水泵的工作點。若把水泵的效率曲線ηQ也畫在同一坐標系中，可以找出A點的揚程、流量以及效率。從圖中可以看出，水泵在工作點A點提供的揚程和管路所需的水頭損失相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，從而達到能量和流量的平衡，這個平衡點是有條件的，平衡也是相對的。一旦當水泵或管路性能中的一個或同時發(fā)生變化時，平衡就被打破，并且在新的條件下出現(xiàn)新的平衡。2．水泵工作點的調(diào)節(jié)交流電動機的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f具有如下關(guān)系： (3－11) 式中：p－極對數(shù)；s－轉(zhuǎn)差率因此不改變電動機的極對數(shù)，只改變電源的頻率，電動機的轉(zhuǎn)速就按比例變動。變頻器調(diào)速的工作原理就是通過選擇電壓頻率比（V/F）曲線，設(shè)定加減速時間以及轉(zhuǎn)矩補償曲線，使電動機啟動時轉(zhuǎn)速從零開始逐漸升高，實現(xiàn)軟啟動，減少了啟動電流。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機的轉(zhuǎn)速n從而改變水泵的轉(zhuǎn)速。由于水泵的流量、揚程和消耗的功率都可以隨其轉(zhuǎn)速的變化而變化，變頻調(diào)速技術(shù)可以使水泵性能曲線改變，達到調(diào)節(jié)水泵工況，大大擴展了水泵的高效運行范圍。當管網(wǎng)負載減小時，通過VVVF降低交流電的頻率，電動機的轉(zhuǎn)速從n1降低到n2。另外根據(jù)葉片泵工作原理和相似理論，改變轉(zhuǎn)速n，可使供水泵流量Q、揚程H和軸功率N以相應(yīng)規(guī)律改變。 (3－12) (3－13) (3－14)將式(3－13)和(3－14)代入(3－18)可得： (3－15)圖33 變頻調(diào)速恒壓供水單臺水泵工況調(diào)節(jié)圖式(3－12)中：g－水的比重；k－功率常數(shù)。從上述比例律公式中消去n1/n2就得到下式 (3－16) 即 或 (3－17) 式(3－17)是頂點在坐標原點的二次拋物線族的方程，在這種拋物線上的各點具有相似的工作狀況，所以稱為相似工況拋物線。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺水泵工況的調(diào)節(jié)是通過改變電源的頻率來改變電機轉(zhuǎn)速n，從而改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。由圖33可見，設(shè)定管網(wǎng)壓力值（揚程）為H0，管網(wǎng)初始用水量為QA，初始工況點為A，水泵電機的轉(zhuǎn)速為n1。當管網(wǎng)負載減小時，管網(wǎng)壓力升高，壓力傳感器將檢測到升高壓力轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號送往PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)比較處理后，輸出一個信號令變頻器頻率降低，從而降低電機轉(zhuǎn)速至n2。水泵轉(zhuǎn)速的下降是沿著水泵的相似工況拋物線下降的，也就是從點A移至B點，在此過程中水泵輸出的流量和壓力都會相應(yīng)減小。恒壓供水系統(tǒng)中壓力值恒定在H0,因此水泵工作點又沿著轉(zhuǎn)速n2所對應(yīng)的水泵性能曲線從點B移至C點，在此階段水泵輸出壓力升高，流量減少，水泵運行在新的工作點C點，在圖33中可以找出C點的揚程HC、流量QC以及水泵運行效率?？疾焖玫男是€hQ，當變頻調(diào)速使水泵偏離甚至位于高效區(qū)之外時，水泵的運行效率會大大下降。因此，水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)要盡量使水泵在高效區(qū)之內(nèi)運行，避免使變頻器頻率下降得過低，而造成水泵在低效率段運行。 水泵變頻調(diào)速節(jié)能分析水泵運行工況點A是水泵性能曲線n1和管路性能曲線R1的交點。在常規(guī)供水系統(tǒng)中，采用閥門控制流量。需要減少流量時關(guān)小閥門，使管路性能曲線由R1變?yōu)镽2。運行工況點沿著水泵性能曲線從A點移到D點，揚程從H0上升到H1，流量從Q0減少到Q1。采用變頻調(diào)速控制時，管路性能曲線R1保持不變，水泵的特性取決于轉(zhuǎn)速。如果水泵轉(zhuǎn)速從n0降到n1，水泵性能曲線從n0平移到n1，運行工況點沿著水泵性能曲線從A點移到C點，揚程從H0下降到H2，流量從Q0減少到Q1。在圖34中，水泵運行在B點時消耗的軸功率與H1BQ1O的面積成正比，運行在C點時消耗的軸功率與H2CQ1O的面積成正比。從圖上可以看出，在流量相同的情下，采用變頻調(diào)速控制比恒速泵控制節(jié)能效果十分明顯。由(3－12)求出運行在B點的泵的軸功率，運行在C點時泵的軸功率，兩者之差： (3－18)圖34 水泵節(jié)能分析圖也就是說，采用閥門控制流量時有的功率被白白浪費了，而且損耗隨著閥門的關(guān)小而增加。相反，采用變頻調(diào)速控制水泵電機時，由式(3－15)可知，當轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)降低時，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)與恒速泵供水方式中用閥門增加阻力的流量控制方式相比，節(jié)能效果十分顯著。 調(diào)速范圍的確定考察水泵的效率曲線hQ, 水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規(guī)定，當選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調(diào)速范圍，在根據(jù)用戶的揚程確定具體最低調(diào)速范圍，在實際配泵時揚程設(shè)定在高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在40Hz以上，也就是說轉(zhuǎn)速下降在20%以內(nèi)，在此范圍內(nèi)，電動機的負載率在50%～100%范圍內(nèi)變化，電動機的效率基本上都在高效區(qū)。啟動頻率一般來說，水泵在低速運行的意義并不大，有的水泵并不能從0Hz開始啟動，所以，應(yīng)該預(yù)置運轉(zhuǎn)開始頻率一下，變頻器處于待機狀態(tài)，一利于更好的節(jié)能。所以，在變頻啟動無過流的前提下，運轉(zhuǎn)開始頻率可預(yù)置的高一些，一般設(shè)定范圍為0～20Hz（也可以通過預(yù)置下限頻率來達到目的）。最高頻率：水泵屬于平方律負載，當轉(zhuǎn)速超過其額定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)矩將按平方規(guī)律增加。例如，當轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速10％（nx＝）時，轉(zhuǎn)矩將比額定轉(zhuǎn)矩超過21％（Tx＝），導(dǎo)致電動機嚴重過載。因此，變頻器的工作頻率是不允許超過額定轉(zhuǎn)矩的，其最高頻率只能與額定頻率相等，fmax＝fN＝50Hz。一般來說，上限頻率也以等于額定頻率為宜，但有時也可以預(yù)置的略低一些，原因有二：1. 變頻器由于內(nèi)部往往具有轉(zhuǎn)差補償功能，所以，在同是50Hz額情況下，水泵在變頻運行時，實際轉(zhuǎn)速要高于工頻運行時的轉(zhuǎn)速，從而增大了水泵和電機的負載；2. 變頻調(diào)速系統(tǒng)在50Hz下運行時，不如直接在工頻下運行為好，可以減少變頻器本身的損失。因此。下限頻率：在供水系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速過低時會出現(xiàn)水泵的全揚程小于基本揚程（實際揚程）形成水泵“空轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象。所以，在多數(shù)情況下，下限頻率應(yīng)定為30Hz～35Hz。第4章 器件的選擇 水泵的選擇 用戶供水量的確定設(shè)計流量應(yīng)按生活用水的設(shè)計秒流量計算。新建筑或生活小區(qū)已經(jīng)由專業(yè)設(shè)計人員算出，不用單獨計算，對于改造類型需重新計算。本設(shè)計小區(qū)人數(shù)：m＝63000/12＝5250人 小區(qū)戶數(shù)：f＝5250/＝1500戶 （）最高日生活用水量QD＝mqd/1000=rfqd/1000 其中：qd—用水定額（Ⅲ類住宅，qd＝190L/人） m—設(shè)計小區(qū)內(nèi)的人數(shù) r—平均居住人數(shù)（通常r=） f—居民區(qū)的戶數(shù) Qd＝1500190/1000=則最大小時流量QH＝KHQD/T =* = =其中：T＝24h為每日用水時間 KH—時間常數(shù)（Ⅲ類住宅，KH＝）秒流量計算公式：Ⅲ類：Qq＝＋其中Nq為用水當量 Nq＝nf＝41500＝6000 （nⅢ類＝4，每戶平均用水量） Qq＝＋ ＝＋6000＝＋27 ＝由于f＝3571戶1500戶，所以取QH與Qq中較大者作為供水標準，流量取Qq?？紤]選泵時留有裕度10％～15％，所以Qq按Qq（1＋10％）＝Qq110％＝47L/S選泵。消防用水量根據(jù)規(guī)范，一次滅火用水量為15L/S，本小區(qū)人數(shù)為12500人，消防用水量選為15L/S,選泵時留有裕度10％，所以Qq消防＝Qq110％＝15110％＝。 供水的揚程計算在供水系統(tǒng)中，一般把最遠最高層作為計算依據(jù)。如果小區(qū)最遠點的建筑不是最高的建筑，則必須選擇兩個最不利點分別計算供水揚程，并以供水揚程較大的建筑最遠點供水揚程。 理論上，因此，供水揚程可計算如下：H＝P/ H—供水揚程 P—供水壓力，所以揚程H為37M。小區(qū)消防用水Qq＝，查規(guī)范有：十層最不利配水點，所以選水泵揚程為37＋23＝60M。 泵的選擇在水泵并聯(lián)時，多臺水泵的流量并不等于多臺水泵每臺水泵出水量之和。根據(jù)公式，兩臺水泵并聯(lián)時流量為單臺的190％，三臺水泵并聯(lián)時，流量為單臺的 251％。本設(shè)計流量為Qq＝＝。IS型單級單吸清水離心泵：適用于工業(yè)制藥，飲料，化工等工礦和城市給水，排水，亦可用于農(nóng)業(yè)排灌，結(jié)構(gòu)簡單，單級單吸軸向吸入。根據(jù)流量與揚程，生活泵選用IS150—125—400型水泵三臺。IS150—125—400型水泵參數(shù)如下：流量為173M3/h，揚程為38M，轉(zhuǎn)速為1450r/min電動機功率為30KW。 電動機的選擇（1）電動機容量的選擇電動機的容量可以根據(jù)水泵的軸功率和電動機與水泵轉(zhuǎn)速一致來選擇。（2）電動機的選擇供水水泵電動機選Y系列三相異步電動機，Y200M—L1型電動機三臺。電機參數(shù)：額定功率30KW，滿載時：，轉(zhuǎn)速為1470r/min，效率為88％，啟動電流為額定電流的7倍，啟動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的倍。 變頻器的選擇 變頻器的選擇生產(chǎn)變頻器的公司很多，變頻器的種類也很多。由于功能不同，不同的變頻器雖然在使用時有所差別，但大部分的使用的方法是一樣的。變頻器的主電路由電源端輸入單相或三相恒定的直流電壓，供給逆變電路。在微控制器的控制下，逆變電路將恒定的直流電壓逆變成電壓和頻率均可調(diào)節(jié)的三相的交流電給電動機負載。根據(jù)設(shè)計的要求，本系統(tǒng)選用三菱FRA540系列變頻器。參數(shù)如下：，，電壓0～380V，～400HZ，過載能力120％，1分鐘，輸入電源三相380/50HZ。 變頻器的接線管腳STF接PLC的Y7管腳，控制電機的正轉(zhuǎn)。X2接變頻器的FU接口，X3接變頻器的OL接口。頻率檢測的上/下限信號分別通過OL和FU輸出至PLC的X2與X3輸入端作為PLC增泵減泵控制信號。圖41變頻器接線圖 PID調(diào)節(jié)器一般用P動作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，采用增加I動作的PI控制。PI控制時，能消除由改變目標值和經(jīng)常的外來擾動等引起的偏差。但是， I動作過強時，對快速變化偏差響應(yīng)遲緩。對有積分元件的負載系統(tǒng)可以單獨使用P動作控制。對于PD控制，發(fā)生偏差時，很快產(chǎn)生比單獨D動作還要大的操作量，以此來抑制偏差的增加。偏差小時，P動作的作用減小?？刂茖ο蠛蟹e分元件的負載場合，僅P動作控制，有時由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場合，為使P動作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用PD控制。換言之，該種控制方式適用于過程本身沒有制動作用的負載。利用I動作消除偏差作用和用D動作抑制振蕩作用，在結(jié)合P動作就構(gòu)成了PID控制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。采用PID控制較其它組合控制效果要好，基本上能獲得無偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過程。圖42 PID控制框圖通過對被控制對象的傳感器等檢測控制量(反饋量)，將其與目標值(溫度、流量、壓力等設(shè)定值)進行比較。若有偏差，則通過此功能的控制動作使偏差為零。也就是使反饋量與日標值相一致的一種通用控制方式。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過程量的控制。在恒壓供水中常見的PID控制器的控制形式主要有兩種:(1)硬件型：即通用PID控制器，在使用時只需要進行線路的連接和P、I、D參數(shù)及日標值的設(shè)定。(2)軟件型：使用離散形式的PID控制算法在可編程序控制器(或單片機)上做PID控制器。根據(jù)設(shè)計的要求，本系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器內(nèi)置于變頻器中。圖43 PID控制接線圖 壓力變送器MC20E壓力變送器采用圓桶外形(E+H外形)，以及進口不銹鋼隔離膜片的高精度、高穩(wěn)定性的芯片組裝，產(chǎn)品經(jīng)過精密的結(jié)構(gòu)設(shè)計、合理的溫度補償，配以線性處理電路、V/I轉(zhuǎn)換及對不銹鋼殼體的全密封焊接工藝制造。輸出信號4～20mA、0～10mA、0～5VDC等。產(chǎn)品可用于對氣體、液體、蒸氣壓力的測量及具有腐蝕性介質(zhì)的壓力測量。（1）應(yīng)用場合：本產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于水廠、煉油廠、污水處理廠、建材、輕工、機械等工業(yè)領(lǐng)域，實現(xiàn)對液體、氣體、蒸氣壓力的測量。 （2）產(chǎn)品特點：具有反向極性和限流保護；激光調(diào)阻溫度補償；量程可現(xiàn)場調(diào)節(jié)；范圍寬抗腐蝕，適于多種介質(zhì)；過載及抗干擾能力強，性能穩(wěn)定。 性能參數(shù)如表41表41 壓力變送器性能參數(shù) 測量介質(zhì)氣體、液體、油等與316兼容的介質(zhì)測量形式及范圍表壓（G）最大(0～60)MPa, 最小(0～)KPa絕壓（A）最大(0～40)MPa, 最小