水泵组合优化变频调速给水系统

蒋志坚，王锡仲，吴辉
（哈尔滨建筑大学 机电工程系， 黑龙江 哈尔滨 150006）

　　摘　要： 提出了一种新型给水方案，它既保留了变频调速恒压给水方案的优点：出水流量连续可调、出水压力恒定、供水品质优良，又利用水泵组合技术降低了变频调速器的设计容量，提高了全系统的性能价格比。
　　关键词： 水泵组合； 优化； 变频调速
　　中图分类号： TU991.6
　　文献标识码： C
　　文章编号： 1000-4602(2000)02-0032-03

　　目前，建筑物给水系统已逐渐放弃水塔、高位水箱、气压罐等传统技术，而采用电脑控制配合变频调速器对水泵电机无级调速、恒压给水。这种技术在稳定水压、减少设备体积、节能等方面有很大进步，但由于使用了价格昂贵、技术复杂的变频调速器，降低了给水系统的性能价格比。?
　　要解决这一问题，最有效的方法是在基本不降低给水系统性能前提下降低变频调速器的选用容量。市场调查表明，变频调速器的容量越大，对工程造价的影响越大。因此，在设计容量较大的给水系统时，如何降低变频调速器的容量，是提高工程性能价格比的最有效技术途径。

1 二进制变流量水泵组合稳压给水方法

　　在文献^［1］中提出了一种不使用变频器(或气压罐)的自动稳压给水方法，即二进制变流量水泵组合稳压给水方法，现介绍如下：?
　　图1是运用二进制变流量水泵组合稳压给水方法构造的系统示意图。
　　该系统共有四台水泵M₀、M₁、M₂、M₃并联运行，组合给水。各台水泵的额定扬程相同，额定流量呈二倍递变，即如M₀的额定流量为q，则其他三台水泵M₁、M₂、M₃的额定流量分别为2q、4q、8q。
　　以数字1表示水泵工作，数字0表示水泵停止工作。于是M₀、M₁、M₂、M₃四台水泵的工作状态各用一位二进制数a₀、a₁、a₂、a₃加以表达。它们组合在一起时的工作状态用一个四位的二进制数a₃a₂a₁a₀表示。

　　如表1所示，四位二进制数共有16种变化情况，这些变化状况不仅代表了当时水泵的组合，而且代表了当时水泵组合所能提供给水系统的出口 流量Q_t(在计算每种工况的出口流量时，近似忽略了由于水泵并联运行所造成的流量损失)。即这个数越大，则出口流量越大；这个数越小，出口流量越小。由此找到了根据用户用量大小，调节系统的出水流量以保证稳压给水的方法，其工作原理是：电接点压力表设定上限压力H₂、下限压力H₁，由H₁与H₂构成了压力稳定区间。如实际水压H偏低，H＜H₁时，可编程控制器按表1所示二进制数a₃a₂a₁a₀的递增规律切换水泵组合的工作状态，增加系统出水流量，水压上升直到H≥H₁，如水压H偏高，H＞H₂时，可编程控制器按a₃a₂a₁a₀递减规律切换水泵组合的工作状态，减少系统流量，水压下降直至H＜H₂。这样正常工作时H₁＜H＜H₂，供水系统的实际水压H就 被稳定在H₂与H₁所规定的范围之内，达到稳定水压之目的。?

表1　　水原组合工作状态表 总流量 M₃ M₂ M₁ M₀ Ｑ a₃ a₂ a₁ a₀ 无 0 0 0 0 q 0 0 0 1 2q 0 0 1 0 3q 0 0 1 1 4q 0 1 0 0 5q 0 1 0 1 6q 0 1 1 0 7q 0 1 1 1 8q 1 0 0 0 9q 1 0 0 1 10q 1 0 1 0 11q 1 0 1 1 12q 1 1 0 0 13q 1 1 0 1 14q 1 1 1 0 15q 1 1 1 1 注　　0代表水泵停止工作，1代表水泵工作。

　　利用这种技术，在稳压精度不高，用水负荷波动不太频繁情况下，不使用变频调速器亦可稳压供水。但当稳压精度较高时，如不使用变频调速器，就必须配备较多的水泵(当然水泵的数目比传统水泵并联组合方法大为减少)，对优化工程设计与方便施工十分不利 。另外，用户负荷变化较大时，不使用变频调速器会造成水泵组合频繁切换，使系统的动态稳压精度大为下降，电机的不断启停使能耗加剧。综合评价较为理想的方案是把变频恒压给水技术与二进制变流量水泵组合稳压给水技术结合使用。?

2 水泵组合优化变频调速恒压给水方案 ?

　　如图2所示，该系统共有三台水泵(虚线所画水泵不计入)P₀、P₁、P₂，其中P₀与P₁的额定流量为q，而P₂的额定流量较大为2q，三台水泵的额定扬程相同。另外只有P₀采用变频器连续控制转速，而P₁与P₂直接工频电源开关控制。?
　　这样配备的水泵系统与典型的变频恒压给水系统相比较，后者一般采用两台大小一致的相同水泵，一台变频调速控制、一台工频开关控制，多用了一台小水泵。但由于变频器所控制的水泵流量下降一倍，故所采用变频器的容量也大致下降一倍。实现了用容量小的变频器代替大容量的变频器，降低了整个系统的性能价格比。

　　下面描述图2给水系统的工作原理。对采用开关控制的水泵P₁与P₂，用数字1表示水泵工作，以数字0表示水泵停止工作，于是P₁与 P₂的组合工作状态用一个两位的二进制数a₂a₁表示(如表2)。P₀采用变频器连续调节电机转速，把它与P₁P₂的组合工作相结 合，则整个给水系统的流量可以在0≤Q_t≤4q的区间连续变化(计Q_t时近似忽略了由于水泵并联所造成的流量损失)。表2与表1的不同之处在于：由于变频调速水泵P₀的加入，可以在0≤Q_t≤4q的全流量范围内连续调节给水流量，故理论上可以实现高精度的恒压控制，而不是表1所描述的在一定范围内的稳压控制。同时，与传统的恒压变频调速给水系统相比较，变频器的设计选用容量可减小一半。因此，本方案兼具了二进制变流量水泵组合方案和典型变频调速恒压给水方案的优点。

表2　　二台水泵组合优化变频调速器设计 出口流量 P₂ P₁ P₀ Qt a₂ a₁ 0＜q₀＜q 0＜Qt＜q 0 0 0＜q₀＜q q＜Qt＜2q 0 1 0＜q₀＜q 2q＜Qt＜3q 1 0 0＜q₀＜q 3q＜Qt＜4q 1 1 0＜q₀＜q

　　如图2所示，若再增加一个容量为4q的水泵P₃(虚线画出)，依据相同的工作原理，给水系统的出口流量可以在0＜Q_t＜8q?范围内连续调节，同时水压基本恒定(见表3)。

表3　　三台水泵组合优化变频调速器设计 出口流量 P_３ P₂ P₁ P₀ Qt a_３ a₂ a₁ 0＜Qt＜q 0 0 0 0＜q₀＜q q＜Qt＜2q 0 0 1 0＜q₀＜q 2q＜Qt＜3q 0 1 0 0＜q₀＜q 3q＜Qt＜4q 0 1 1 0＜q₀＜q 4q＜Qt＜5q 1 0 0 0＜q₀＜q 5q＜Qt＜6q 1 0 1 0＜q₀＜q 6q＜Qt＜7q 1 1 0 0＜q₀＜q 7q＜Qt＜8q 1 1 1 0＜q₀＜q

　　通过以上二例可以总结出，如给水系统的设计流量为Q，则可以把变频水泵的容量设计成q=Q/2ⁿ(n=1、2、3……)。同时再配备n台工频电源开关控制的水泵，这n台水泵的额定扬程相同且与变频水泵的扬程一致，但额定流量设计值却是两倍递变，即从小到大为：q、2q、4q……2^n-1q。?
　　由这(n+1)台水泵(1台变频调速控制，n台工频开关控制)构成的水泵组合优化变频调速给水系统，即实现在全流量变化范围内高质量的恒压给水，又把变频器的设计容量降为q=Q/2ⁿ，降低了变频器的工程预算价格，提高了整个给水系统的性能价格比。?

3 结论

　　本文提出了水泵组合优化变频调速给水方案。它既保留了变频调速方案的优点：全流量范围内可以实现高精度的恒压给水，又利用水泵组合技术大大降低了变频器选用容量，提高了系统的性能价格比。

参考文献：
　　［1］蒋志坚，王锡仲.二进制变流量水泵组合稳压给水方法［J］.哈尔滨建筑大学学报，1998，5.

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收稿日期：1999-08-30