變頻調(diào)速給水的基本原理解析

目前，變頻調(diào)速生活給水在建筑給水中應(yīng)用越來越廣，其主要原因是：

1.變頻調(diào)速給水的供水壓力可調(diào)，可以方便地滿足各種供水壓力的需要。在設(shè)計(jì)階段可以降低對供水壓力計(jì)算準(zhǔn)確度的要求，因?yàn)殡S時(shí)可以方便地改變供水壓力。但在選泵時(shí)應(yīng)注意，泵的揚(yáng)程宜大一些，因?yàn)樽冾l調(diào)速其最大壓力受水泵限制。最低使用壓力也不應(yīng)太小，因?yàn)樗貌辉试S在低揚(yáng)程大流量下長期超負(fù)荷工作，否則應(yīng)加大變頻器和水泵電機(jī)的容量，以防止發(fā)生過載。

2.目前，變頻器技術(shù)已很成熟，在市場上有很多國內(nèi)外品牌的變頻器，這為變頻調(diào)速供水提供了充份的技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。變頻器已在國民經(jīng)濟(jì)各部門廣泛使用。任何品牌的變頻器與變頻供水控制器配合，即可實(shí)現(xiàn)多泵并聯(lián)恒壓供水。因?yàn)榻ㄖ┧膽?yīng)用廣泛，有些變頻器設(shè)計(jì)生產(chǎn)廠家把變頻供水控制器直接做在供水專用變頻器中；這種變頻器具有可靠性好，使用方便的優(yōu)點(diǎn)。

3.變頻調(diào)速恒壓供水具有優(yōu)良的節(jié)能效果。由水泵－管道供水原理可知，調(diào)節(jié)供水流量，原則上有二種方法；一是節(jié)流調(diào)節(jié)，開大供水閥，流量上升；關(guān)小供水閥，流量下降。調(diào)節(jié)流量的第二種方法是調(diào)速調(diào)節(jié)，水泵轉(zhuǎn)速升高，供水流量增加；轉(zhuǎn)速下降，流量降低，對于用水流量經(jīng)常變化的場合(例如生活用水)，采用調(diào)速調(diào)節(jié)流量，具有優(yōu)良的節(jié)能效果。

我國國家科委和國家經(jīng)貿(mào)委在《中國節(jié)能技術(shù)政策大綱》中把泵和風(fēng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)列為國家九五計(jì)劃重點(diǎn)推廣的節(jié)能技術(shù)項(xiàng)目。應(yīng)當(dāng)指出，變頻恒壓供水節(jié)能的效果主要取決于用水流量的變化情況及水泵的合理選配，為了使變頻恒壓供水具有優(yōu)良的節(jié)能效果，變頻恒壓供水宜采用多泵并聯(lián)的供水模式。

由多泵并聯(lián)恒壓變頻供水理論可知多泵并聯(lián)恒壓供水，只要其中一臺(tái)泵是變頻泵，其余全是工頻泵，可以實(shí)現(xiàn)恒壓變量供水。在變頻恒壓變量供水當(dāng)中，變頻泵的流量是變化的，當(dāng)變頻泵是各并聯(lián)泵中最大，即可保證恒壓供水。多泵并聯(lián)恒壓供水，在設(shè)計(jì)上可做到在恒壓條件下各工頻泵的效率不變(因工況不變)，并使之處于高效率區(qū)工作，變頻泵的流量是變化的，其工作效率隨流量而改變。因?yàn)椴捎枚啾貌⒙?lián)恒壓供水，變頻泵的功率降低，從而可以降低多泵并聯(lián)變頻恒壓供水系統(tǒng)的能耗，改善節(jié)能狀況。當(dāng)多泵并聯(lián)恒壓供水系統(tǒng)采用具有自動(dòng)睡眠功能的變頻器，當(dāng)用水流量接近于零，變頻泵能自動(dòng)睡眠停泵，從而可以做到不用水時(shí)自動(dòng)停泵而沒有能量損耗，具有最佳的節(jié)能效果。

多泵并聯(lián)變頻恒壓變量供水的工作模式通常是這樣的：當(dāng)用水流量小于一臺(tái)泵在工頻恒壓條件下的流量，由一臺(tái)變頻泵調(diào)速恒壓供水；當(dāng)用水流量增大，變頻泵的轉(zhuǎn)速自動(dòng)上升；當(dāng)變頻泵的轉(zhuǎn)速上升到工頻轉(zhuǎn)速，為用水流量進(jìn)一步增大，由變頻供水控制器控制，自動(dòng)啟動(dòng)一臺(tái)工頻泵投入，該工頻泵提供的流量是恒定的(工頻轉(zhuǎn)速恒壓下的流量)，其余各并聯(lián)工頻泵按相同的原理投入。

在多泵并聯(lián)變頻恒壓變量的供水情況下，當(dāng)用水流量下降，變頻調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速下降(變頻器供電頻率下降)；當(dāng)頻率下降到零流量的時(shí)候，變頻供水控制器發(fā)出一個(gè)指令，自動(dòng)關(guān)閉一臺(tái)工頻泵使之超出并聯(lián)供水。為了減少工頻泵自動(dòng)投入或超出時(shí)的沖擊(水力的或電流的沖擊)。在投入時(shí)，變頻泵的轉(zhuǎn)速自動(dòng)下降，然后慢慢上升以滿足恒壓供水的要求。在超出時(shí)，變頻泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)自動(dòng)上升，然后慢慢下降以滿足恒壓供水的要求。上述頻率自動(dòng)上升，下降由供水變頻控制器控制。

另一種變頻供水模式通常叫做恒壓變量循環(huán)狀啟動(dòng)并先開先停的工作模式。在這種供水模式中，當(dāng)供水流量少于變頻泵在恒壓工頻下的流量時(shí)，由變頻泵自動(dòng)調(diào)速供水，當(dāng)用水流量增大，變頻泵的轉(zhuǎn)速升高。當(dāng)變頻泵的轉(zhuǎn)速升高到工頻轉(zhuǎn)速，由變頻供水控制器控制把該臺(tái)水泵切換到由工頻電網(wǎng)直接供電(不通過變頻器供電)。變頻器則另外啟動(dòng)一臺(tái)并聯(lián)泵投入工作。隨用水流量增大，其余各并聯(lián)泵均按上述相同的方式軟啟動(dòng)投入。這就是循環(huán)軟啟動(dòng)投入方式。

當(dāng)用水流量減少，各并聯(lián)工頻泵按次序關(guān)泵超出，并泵超出的順序按先投入先關(guān)泵超出的原則由變頻控制器單板計(jì)算機(jī)控制。由上述可見，對于變頻恒壓變量給水通常有兩種工作模式，一是變頻泵固定方式，二是變頻循環(huán)軟啟動(dòng)工作方式。在變頻泵固定方式中，各并聯(lián)水泵是按工頻方式自動(dòng)投入或超出的。因?yàn)樽冾l泵固定不變，當(dāng)用水流量變化，變頻泵始終處于運(yùn)行狀態(tài)，因此變頻泵的運(yùn)行時(shí)間最長。為了均衡各水泵的運(yùn)行時(shí)間，對于變頻泵固定運(yùn)行方式，可以設(shè)計(jì)成變頻泵定時(shí)輪換運(yùn)行方式。即當(dāng)某一臺(tái)變頻泵運(yùn)行一定時(shí)間后，由變頻控制器控制變頻泵自動(dòng)進(jìn)行輪換。例如：開始時(shí)1泵變頻，2－3泵工頻，當(dāng)1泵變頻運(yùn)行T時(shí)間后(T可按序設(shè)定)自動(dòng)輪換為2泵變頻，3－1泵工頻；在此狀態(tài)下運(yùn)行T時(shí)間后自動(dòng)輪換為3泵變頻，1－2工頻，……。如此反覆進(jìn)行定時(shí)輪換。

顯然，具有變頻泵自動(dòng)輪換控制的變頻恒壓變量供水系統(tǒng)，變頻泵是定時(shí)改變的，即任何一臺(tái)并聯(lián)泵都有可能成為變頻泵。由變頻恒壓變量供水理論可知，為了保證恒壓供水，變頻泵必須是各并聯(lián)泵中的最大者。為此，對于變頻恒壓供水并變頻泵自動(dòng)定時(shí)輪換的水機(jī)，各并聯(lián)水泵的大小應(yīng)相同以保證恒壓供水。

按變頻器工作原理，在運(yùn)行中的變頻器不允許在其輸出端進(jìn)行切換；否則在切換過程中會(huì)使變頻器中的某些電子器件受到大電流沖擊而降低其壽命。在變頻泵自動(dòng)輪換過程中，要在變頻器的輸出端進(jìn)行切換；為了保護(hù)變頻器，在進(jìn)行自動(dòng)切換之前應(yīng)使變頻器停止運(yùn)行。在變頻器停止運(yùn)行的條件下，在其輸出端進(jìn)行切換。在切換好后再重新啟動(dòng)變頻器而恢復(fù)正常運(yùn)行。因此，自動(dòng)輪換控制的電路比較復(fù)雜，會(huì)增加變頻控制柜的造價(jià)并降低其使用可靠性。當(dāng)變頻恒壓變量供水系統(tǒng)具有變頻泵自動(dòng)輪換功能，其優(yōu)點(diǎn)是各并聯(lián)泵可定時(shí)輪換到變頻運(yùn)行，使各并聯(lián)泵的磨損均衡。但是，在任一臺(tái)泵變頻運(yùn)行時(shí)，萬一水泵故障有可能使變頻器保護(hù)跳閘而停止工作。各并聯(lián)水泵是由變頻器控制運(yùn)行的；當(dāng)變頻器跳閘，必然使所有并聯(lián)水泵停機(jī)而中斷供水。

因此，當(dāng)水泵的可靠性一定，具有自動(dòng)輪換控制功能的變頻恒壓供水機(jī)的供水可靠性將低于不具備自動(dòng)輪換控制功能的變頻恒壓供水機(jī)。筆者認(rèn)為，供水可靠性是主要矛盾。因此我們不主張采用具有自動(dòng)輪換控制功能的變頻恒壓給水系統(tǒng)。多泵并聯(lián)，循環(huán)軟啟動(dòng)的變頻恒壓給水系統(tǒng)，同樣存在上述變頻恒壓自動(dòng)輪換工作模式的缺點(diǎn)。為了保證恒壓供水，同樣要求各并聯(lián)泵的大小相同。綜上可述，為保證供水可靠性，筆者不主張采用自動(dòng)輪換和變頻循環(huán)軟啟動(dòng)的工作模式。清華紫光集團(tuán)自動(dòng)化工程部在其《ABB恒壓供水系統(tǒng)用戶手冊》中說，“循環(huán)軟啟動(dòng)!這是一個(gè)危險(xiǎn)的誘惑，很多搞恒壓供水的人熱衷于發(fā)展此項(xiàng)技術(shù)，但我們的建議是否定的。……”我們贊同清華紫光集團(tuán)自動(dòng)化工程部的上述學(xué)術(shù)見解，不熱衷于搞變頻循環(huán)軟啟動(dòng)供水。

由水泵－管路供水原理可知，當(dāng)節(jié)流損耗等于零，則供水系統(tǒng)具有最佳的節(jié)能效果，此時(shí)水泵的供水揚(yáng)程完全消耗在供水高度和供水流阻損失上。這種變頻調(diào)整供水稱為理態(tài)的變壓變量供水，這種供水系統(tǒng)的揚(yáng)程－流量曲線和管路系統(tǒng)的流阻—流量曲線重合。在理想的變壓變量供水系統(tǒng)中，在用水點(diǎn)，其揚(yáng)程恒定，屬于恒壓供水。在實(shí)際建筑中，用水點(diǎn)是多處，不是一處，因此很難確定何處是恒壓用水點(diǎn)。變壓變量供水系統(tǒng)沒有通用性，在工程上很少應(yīng)用。一種實(shí)用的變壓變量供水系統(tǒng)叫做準(zhǔn)變壓變量供水系統(tǒng)；在準(zhǔn)變壓變量供水系統(tǒng)中，其恒壓值隨用水流量增加而躍階上升。例如多泵并聯(lián)恒壓供水，當(dāng)一臺(tái)泵工作，其恒壓值為P1；當(dāng)投入一臺(tái)泵，其恒壓值自動(dòng)變?yōu)镻1＋ΔP1；當(dāng)二、三、四臺(tái)泵投入，其恒壓值分別自動(dòng)變?yōu)镻1＋ΔP1＋ΔP2，P1＋ΔP1＋ΔP2＋ΔP3，P1＋ΔP1＋ΔP2＋ΔP3＋ΔP4，……。其中P1，ΔP1，ΔP2，ΔP3，ΔP4，……可按需要設(shè)定；因此，準(zhǔn)變壓變量系統(tǒng)(設(shè)備)的供水特性可以十分接近理想的變壓變量供水特性，具有優(yōu)良的節(jié)能效果，這種供水系統(tǒng)(設(shè)備)具有通用性。例如國際上著名的ABB供水專用變頻器就具有上述的準(zhǔn)變壓變量供水控制功能。

事實(shí)上，在建筑供水當(dāng)中，準(zhǔn)變壓變量供水模式也很少應(yīng)用，因?yàn)樵趯?shí)際使用當(dāng)中，很難給出ΔP1，ΔP2，ΔP3……等等的具體參數(shù)。