【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 效果上明顯優(yōu)于氣壓罐方式。氣壓罐方式依靠壓力罐中的壓縮空氣送水，氣壓罐配套水泵運(yùn)行時(shí)，水泵在額定轉(zhuǎn)速、額定流量的條件下工作。當(dāng)系統(tǒng)所需水量下降時(shí)，供水壓力將超出系統(tǒng)所需要的壓力從而造成能量的浪費(fèi)。同時(shí)水泵是工頻率啟 動(dòng)，且啟動(dòng)頻繁，又會(huì)造成一定的能耗。而變頻恒壓供水在系統(tǒng)用水量下降時(shí)可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使供水壓力與系統(tǒng)所需水壓大致相等，這樣就節(jié)省了許多電能，同時(shí)變頻器對(duì)水泵采用軟啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流很小，啟動(dòng)能耗比較小。另外氣壓罐要消耗一定的鋼量，這也是它的一個(gè)較大的缺點(diǎn)。而變頻調(diào)速供水系統(tǒng)的變頻器是一臺(tái)由微機(jī)控制的電氣設(shè)備，不存在消耗多少鋼材的問(wèn)題。同時(shí)由于氣壓罐體積大，占地面積一般為幾十平米。而變頻調(diào)速式中的調(diào)速裝置占地面積僅為幾平米。由此可見(jiàn)變頻調(diào)速供水方式比氣壓罐供水方式將節(jié)省大量占地面積。在運(yùn)行效果上，氣壓罐 方式與調(diào)速式相比也存在著一定差距。氣壓罐方式的運(yùn)行不穩(wěn)定，突出表現(xiàn)在它的頻繁啟動(dòng)。由于氣壓罐的調(diào)節(jié)容量?jī)H占其總?cè)莘e的 1/31/6，因而每個(gè)罐的調(diào)節(jié)能力很小，只得依靠頻繁的啟動(dòng)來(lái)保證供水，這樣將產(chǎn)生較大的噪聲，同時(shí)由于啟動(dòng)過(guò)于頻繁，壓力不穩(wěn)，加之硬啟動(dòng)，電氣和機(jī)械沖擊較大，設(shè)備損壞很快。變頻調(diào)速式的運(yùn)行十分穩(wěn)定可靠，沒(méi)有頻繁的啟動(dòng)現(xiàn)象，加之啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)，設(shè)備運(yùn)行十分平穩(wěn)，避免了電氣、機(jī)械沖擊。在小區(qū)供水中，而且由于調(diào)速式是經(jīng)水泵加壓后直接送往用戶的，防止了的水質(zhì)二次污染，保證了飲用水水質(zhì)可靠。 由此可見(jiàn) ，變頻調(diào)速式供水系統(tǒng)具有節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、節(jié)省占地、節(jié)省投資、調(diào)節(jié)能力大、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景和明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第二 章 調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)能耗與安全性分析 在供水系統(tǒng)中，用水量處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程之中，采取恒速泵供水方式，無(wú)法維持管壓恒定，同時(shí)也影響設(shè)備壽命；若采取閥門控制調(diào)節(jié)流量來(lái)維持管壓，必然造成大量的電能浪費(fèi)；而且水泵電機(jī)直接工頻起動(dòng)與制動(dòng)帶來(lái)的水錘效應(yīng)，對(duì)管網(wǎng)、閥門等也具有破壞性的影響?；诤銐骸⒐?jié)能及安全性考慮，采取變頻調(diào)速恒壓供水方式是一種不錯(cuò)的選擇。據(jù) 統(tǒng)計(jì)采用變頻調(diào)速技術(shù)調(diào)節(jié)流量實(shí)現(xiàn)恒壓供水，可節(jié) 2050%，節(jié)能效果相當(dāng)顯著。在討論變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能機(jī)理與安全性之前，有必要討論分析供水系統(tǒng)的一些基本概念和特性。 供水系統(tǒng)的基本模型 供水系統(tǒng)的基本模型如圖 所示。 圖 供水系統(tǒng)的基本模型 a)全揚(yáng)程的概念 b)基本模型 圖中 ： 0L —— 水泵中心位置； 0h —— 吸水口水位； 1h —— 水平面水位； 2h —— 管摩擦損失 吸入口 水壓 全 揚(yáng) 程 實(shí) 際 揚(yáng) 程 )(mHB )(mHT 泵 H0 H1 H3 H2 水面 L0 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 道最高處水位； 3h —— 在管道高度不受限制的情況下，水泵能夠泵水上揚(yáng)的最高位置的水位。表明水泵的泵水能力。在真實(shí)的管道系統(tǒng)中，這個(gè)位置并不存在。只有在 3h 大于管道的實(shí)際最高位置的情況下，才能正常水。 主要參數(shù)有 ： 1． 流量 Q 單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道內(nèi)某一截面的水流量，常用單位是 3m /min； 2． 揚(yáng)程 H 也稱水頭，是供水系統(tǒng)把水從一個(gè)位置上揚(yáng)到另一位置時(shí)水位的變化量，數(shù)值上等于對(duì)應(yīng)的水位差，常用單位是 m； 3． 實(shí)際揚(yáng)程 BH 供水系統(tǒng)中，實(shí)際的最高水位 2h 與最低水位 1h 之間的水位差，即供水系統(tǒng)實(shí)際提高的水位。即 ： BH = 2h 1h ； 4． 全揚(yáng)程 TH 水泵能夠泵水上揚(yáng)的最高水位 3h 與吸入口的水位 0h 之間的水位差。全揚(yáng)程的大小說(shuō)明了水泵的泵水能力。即 ： TH = 3h 0h ； 5． 損失揚(yáng)程 LH 全揚(yáng)程與實(shí)際揚(yáng)程之差，即為損失揚(yáng)程。 BH , TH , LH 之間的關(guān)系是 ： TH = BH + LH 。 供水系統(tǒng)為了保證供水，其全揚(yáng)程必須大于實(shí)際揚(yáng)程，這多余的揚(yáng)程一方面用于提高及控制水的流速，另一方面 用于抵償各部分管道內(nèi)的摩擦損失 ； 6． 管阻 R 閥門和管道系統(tǒng)對(duì)水流的阻力和閥門開(kāi)度、流量大小、管道系統(tǒng)等多種因素有關(guān)，難以定量計(jì)算，常用揚(yáng)程與流量間的關(guān)系曲線來(lái)描述 ； 7． 壓力 P 表明供水系統(tǒng)中某個(gè)位置水壓大小的物理量。其大小在靜態(tài)時(shí)主要取決于管路的結(jié)構(gòu)和所處的位置，而在動(dòng)態(tài)情況下，則還與流量與揚(yáng)程之間的平衡情況有關(guān)。 供水系統(tǒng)的特性曲線和工作點(diǎn) 供水系統(tǒng)的參數(shù)表明了供水的性能。但各參數(shù)之間不是靜止孤立的， 相互間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系和變化規(guī)律。這種聯(lián)系和變化規(guī)律可用供水系統(tǒng)的特性曲線直觀地反映，主要有揚(yáng)程特性曲線和管組特性曲線，如圖 。通過(guò)特性曲線圖可以掌握供水系統(tǒng)的性能，確定其工作點(diǎn)。 圖 中 ： EH 0H NH CH EQ NQ O BH ② ① ③ ④ TH A B N 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 曲線 ① —— 額定轉(zhuǎn)速 Nn 時(shí)的揚(yáng)程特性曲線 ； 曲線 ② —— 轉(zhuǎn)速 1n 時(shí)的揚(yáng)程特性曲線 ； 曲線 ③ —— 閥門開(kāi)度 100%時(shí)的管阻特性曲線 ； 曲線 ④ —— 閥門開(kāi)度不足 100%時(shí)的管阻特性曲線 。 圖 供水系統(tǒng)特性 曲線 1． 揚(yáng)程特性 以管路中的閥門開(kāi)度不改變?yōu)榍疤?，即截面積不變，水泵在某一轉(zhuǎn)速下，全揚(yáng)程與流量間 的關(guān)系曲線 )(QfHT ? ，稱為揚(yáng)程特性曲線。不同轉(zhuǎn)速下，揚(yáng)程特性曲線不同，圖 中的曲線 ① 、 ② 分別對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速 Nn 、 1n ，且 Nn ＞ 1n 。 曲線表明轉(zhuǎn)速一定時(shí)，用水量增大，即流量增大，管道中的管阻損耗也就越大，供水系統(tǒng)的全揚(yáng)程就越小，反映用戶的用水需求狀況對(duì)全揚(yáng)程的影響的。在這里，流量的大小取決于用戶，是用水流量，用 UQ 表示。 用水量一定時(shí)，即 UQ 不變，轉(zhuǎn)速越低，水泵的供水能力越低，供水系統(tǒng)的全揚(yáng)程就越小。 2． 管阻特性 以水泵的轉(zhuǎn)速不改變?yōu)榍疤?，閥門在某一開(kāi)度下，全揚(yáng)程與流量間的關(guān)系曲線)(QfHT ? ，稱為管阻特性曲線。不同閥門開(kāi)度，管阻特性曲線不同，圖 中的曲線③ 對(duì)應(yīng)閥門開(kāi)度大于曲線 ④ 對(duì)應(yīng)的閥門開(kāi)度。 管阻特性表明由閥門開(kāi)度來(lái)控制供水能力的特性曲線。此時(shí)轉(zhuǎn)速一定，表明水泵供水能力不變，流量的大小取決于閥門的開(kāi)度，即管阻的大小，是由供水側(cè)來(lái)決定的，故管阻特性的流量可以認(rèn)為是供水流量，用 GQ 表示。 在實(shí)際的供水管道中，流量具有連續(xù)性，并不存在供水流量與用水流量的差別。這里的 GQ 和 UQ 是為了便于說(shuō)明供水能力和用水需求之間的平衡關(guān)系而假設(shè)的量。 當(dāng)供水流量 GQ 接近于 0 時(shí)，所需的揚(yáng)程等于實(shí)際揚(yáng)程（ BT HH ? ） 。表明了如果全揚(yáng)程小于實(shí)際揚(yáng)程的話，將不能供水。因此，實(shí)際揚(yáng)程也就是能夠供水的基本揚(yáng)程。 3． 供水系統(tǒng)的工作點(diǎn) 揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)。在這一點(diǎn)，供水系湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性。供水系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 圖 中的 N 點(diǎn)表示水泵工作于額定轉(zhuǎn)速，閥門開(kāi)度為 100%時(shí)的供水狀態(tài)，為系統(tǒng)的額定工作點(diǎn)。 4． 供水功率 供水系統(tǒng)向用戶供水時(shí)所消耗的功率 GP （ kW)稱為供水功率，供水功率與流量和揚(yáng)程的乘積成正比 QHCP rPG ? （ ） 式中 PC 一一比例常數(shù)。 供水系統(tǒng)中恒壓實(shí)現(xiàn)方式 對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根結(jié)底是為了滿足用 戶對(duì)流量的需求。所以，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對(duì)象。而流量的大小又取決于揚(yáng)程，而揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測(cè)量和控制?？紤]到動(dòng)態(tài)情況下，管道中水壓的大小是揚(yáng)程大小的反映，而揚(yáng)程與供水能力 (由流量GQ 表示 )和用水需求 (由用水流量 UQ 表示 )之間的平衡情況有關(guān)。 若供水能力 GQ ＜用水需求 UQ ，則壓力 P 下降； 若供水 能力 GQ = 用水需求 UQ ，則壓力 P 不變。 若供水能力 GQ ＞用水需求 UQ ，則壓力 P 上升； 可見(jiàn) ，流體壓力 P 的變化反映了供水能力與用水需求 UQ 之間的矛盾。從而，選擇壓力控制 來(lái)調(diào)節(jié)管道流量大小。這說(shuō)明，通過(guò)恒壓供水就能保證供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量。 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法 通過(guò)轉(zhuǎn)速控制法實(shí)現(xiàn)恒壓供水，需要調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速。水泵通過(guò)聯(lián)軸器由三相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)，因此水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)就是需要調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由三相異步電動(dòng)機(jī)的 )1(60)1(1 sp fsnn ???? () 由式（ ） 可知 調(diào)速方法有變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差調(diào)速和變頻調(diào)速。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 1． 變極調(diào)速 在電源頻率一定的情況下，改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。磁極對(duì)數(shù)的改變通過(guò)改變電機(jī)定子繞組的接線方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種調(diào)速方式只適用于專門的變極電機(jī)，而且是有極調(diào)速，級(jí)差大，不適用于供水系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)。 2． 變轉(zhuǎn)差調(diào)速 通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。 三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子銅損耗為 emCu sPrIP ?? 39。2239。22 3 () 該損耗和電機(jī)的轉(zhuǎn)差率成正比，又稱為轉(zhuǎn) 差功率，以電阻發(fā)熱方式消耗。電動(dòng)機(jī)工作在額定狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)差率 s 很小，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子銅損耗小，電機(jī)效率高。但在供水系統(tǒng)中由轉(zhuǎn)速控制法實(shí)現(xiàn)恒壓供水時(shí)，為適應(yīng)流量的變化，電機(jī)一般難以工作于額定狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速值往往遠(yuǎn)低于額定轉(zhuǎn)速，此時(shí)的轉(zhuǎn)差率 s 增大，轉(zhuǎn)差功率增大，電機(jī)運(yùn)行效率降低。雖然變轉(zhuǎn)差調(diào)速中的串級(jí)調(diào)速法能將增加部份的轉(zhuǎn)差功率通過(guò)整流、逆變裝置回饋給電網(wǎng)，但其功率因數(shù)較低，低速時(shí)過(guò)載能力低，還需一臺(tái)與電動(dòng)機(jī)相匹配的變壓器，成本高，且 增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗。 因此變轉(zhuǎn)差調(diào)速方法不適用于恒壓供水系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速控制法。 3． 變頻調(diào)速 通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電源頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方式。 這種調(diào)速方式需要專用的變頻裝置，即變頻器。最常用的變頻器采取的是變壓變頻方式的，簡(jiǎn)稱為 VVVF (Variable Voltage Variable Frequency)。在改變輸出頻率的同時(shí)也改變輸出電壓，以保證電機(jī)磁通基本不變，其關(guān)系為 11fu = 常數(shù) 式中 1u 一一變頻器 輸出電壓， 1f 一一變頻器輸出頻率。 變頻調(diào)速方式時(shí)，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式 ])()[(2/239。2139。21139。2211xxsrrfsrpUmT????? （ ） 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 式中 1m 一一電機(jī)相數(shù) ； 1r 一一定子電阻 ； 1x 一一定子漏電抗 ； 39。2x 一一轉(zhuǎn)子漏電抗折算值 。 頻率 1f 從額定值 Nf 往下調(diào)時(shí)， 電機(jī)機(jī)械特性變化情況如圖 。 圖 中 Nf ＞ 1f ＞ 2f ＞ 3f ＞ 4f 。 變頻調(diào)速過(guò)程的特點(diǎn)： 靜差率小，調(diào)速范圍大，調(diào)速平滑性好，而且，很關(guān)鍵的一點(diǎn)是調(diào)速過(guò)程中，其轉(zhuǎn)差率不變。電機(jī)的運(yùn)行效率高，適合于恒壓供 水方式中的轉(zhuǎn)速控制法。因此恒壓供水系統(tǒng)中采取變頻調(diào)速方式可以獲得優(yōu)良的運(yùn)行特性和明顯的節(jié)能效果。 圖 變頻調(diào)速機(jī)械特性 變頻器選型 變頻器的選擇包括變頻器的型式選擇、容量選擇和變頻器箱體結(jié)構(gòu)的選擇三個(gè)方面。其總的原則是首先保證可靠地滿足工藝要求，再盡可能節(jié)省資金。 變頻器的型式選擇 根據(jù)控制功能可將通用變頻器分為三種類 :普通功能型 U/F控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高性能 U/F控制變頻器和 矢量控制高性能型變頻器。變頻器類型的選擇要根 據(jù)負(fù)載的要求進(jìn)行。對(duì)于風(fēng)機(jī)，泵類等平方轉(zhuǎn)矩，低速負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，通?？蛇x擇普通功能型的變頻器。在變頻器選型前應(yīng)掌握傳動(dòng)系統(tǒng)的以下參數(shù) : （ 1）電動(dòng)機(jī)的極數(shù)。一般電動(dòng)機(jī)極數(shù)以不多于 4極為宜，否則變頻器容量要適當(dāng)加大； （ 2）轉(zhuǎn)矩特性。在同等電動(dòng)機(jī)功率情況下，相對(duì)于高過(guò)載轉(zhuǎn)矩模式，變頻器規(guī)格n T 1f 2f 3f 4f Nf 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 可以降額選?。? （ 3）電磁兼容性。為減少主電源千擾，使用時(shí)可在中間或變頻器輸入電路中增加電抗器，或安裝前置隔離變壓器。一般當(dāng)電動(dòng)機(jī)與變頻器距離超過(guò) 50m時(shí)，應(yīng)在它們中間串入電抗器、濾波器或采用屏蔽防護(hù)電纜。 變頻器的選型應(yīng)滿足 以下條件 :