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1 引言
早期樓宇建筑生活給水廣泛采用高位水箱給水方式，即用上水泵把水送入高位水箱，水箱中的水靠重力自流向用戶供水。采用這種給水方式存在要設(shè)置高位水箱和高位水箱被二次污染等眾所周知的缺點(diǎn)。20世紀(jì)70年代，我國(guó)開(kāi)始應(yīng)用氣壓式給水設(shè)備并力圖取代高位水箱供水方式。采用氣壓給水設(shè)備，為了防止在小流量供水時(shí)水泵出現(xiàn)頻繁開(kāi)-停，要求設(shè)備的氣壓水罐具有足夠大的容積。大容積氣壓罐不僅增加可造價(jià)，而且水泵房也要相應(yīng)擴(kuò)大;因而氣壓式給水設(shè)備的推廣應(yīng)用受到一定限制。
建筑生活給水對(duì)設(shè)備的主要要求有:
(1) 給水壓力(h)及流量(q)應(yīng)滿足使用要求
氣壓式給水及其它非調(diào)速泵給水方式，給水壓力及流量主要是靠合理選泵來(lái)保證的。水泵選定后，供水壓力(h)隨流量(q)按水泵的特性曲線變化，是不可改變的。然而，用戶的實(shí)際用水流量與設(shè)計(jì)用水流量往往存在很大差別，例如設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)的用水流量與實(shí)際有差別，不同用水情況往往偏少，水壓往往偏高;為防止超壓，用戶往往要求降低供水壓力。當(dāng)整個(gè)小區(qū)投入使用，在大流量供水情況下，為滿足遠(yuǎn)端用戶的用水壓力，往往要求提高供水壓力。由于氣壓式供水，供水壓力不可調(diào);變頻調(diào)速給水，供水壓力可調(diào)。因此，采用變頻調(diào)速給水能很好地滿足供水壓力及流量的要求，可以彌補(bǔ)設(shè)計(jì)供水參數(shù)(q及h)與實(shí)際可能不符的不足，而且可以適應(yīng)不同用水情況下供水壓力變化的要求。
(2) 供水應(yīng)可靠
首先給水設(shè)備要可靠，其次應(yīng)有措施(例如有手動(dòng)控制保證供水的措施)防止因設(shè)備故障而斷水等等。
(3) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于使用和維護(hù)
一般來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維護(hù)方便，同時(shí)其可靠性較高，因此在確定設(shè)計(jì)方案時(shí)應(yīng)合理處理多功能、復(fù)雜與簡(jiǎn)單、實(shí)用的矛盾。
綜上所述，變頻恒壓供水應(yīng)當(dāng)是建筑生活供水的首選方案。這種供水方案已在國(guó)內(nèi)外建筑生活供水系統(tǒng)中廣泛采用。
2 變頻調(diào)速在建筑消防給水中的應(yīng)用
自從20世紀(jì)80年代末期以來(lái)，大量各種品牌的國(guó)外變頻器進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。變頻器的出現(xiàn)為水泵變頻無(wú)級(jí)調(diào)速提供了技術(shù)與物質(zhì)基礎(chǔ)。變頻器外加變頻供水控制器可以實(shí)現(xiàn)恒壓變流量或變壓變流量(通常多采用準(zhǔn)變壓變流量)供水控制。所謂準(zhǔn)變壓變流量供水是指供水壓力隨供水流量增加而躍階上升的一種供水方式。通常對(duì)于多泵并聯(lián)的供水方式是每投入一臺(tái)泵，供水恒壓值上升一個(gè)臺(tái)階。
按用途，建筑給水分為生活(生產(chǎn))給水和消防給水兩大類。在生活(生產(chǎn))給水系統(tǒng)中應(yīng)用變頻調(diào)速泵供水要比其他非調(diào)速泵供水具有明顯的優(yōu)越性(如上文所述)，因而在國(guó)內(nèi)外獲得了廣泛的應(yīng)用，采用變頻調(diào)速供水的主要優(yōu)點(diǎn)是:
(1) 可以實(shí)現(xiàn)恒壓供水, 壓力可調(diào), 以適應(yīng)不同的供水壓力要求;
(2) 具有優(yōu)良的節(jié)能效果;
(3) 與氣壓式給水比較, 無(wú)需設(shè)置大容積的氣壓罐(為了延長(zhǎng)不用水時(shí)的停泵時(shí)間，可設(shè)置一個(gè)小氣壓罐);
(4) 水泵經(jīng)常處于低速運(yùn)行狀態(tài), 噪音低并可延長(zhǎng)其使用壽命。
在高穩(wěn)壓消防給水系統(tǒng)中，穩(wěn)壓泵與氣壓罐配合對(duì)消防管網(wǎng)增壓、穩(wěn)壓，使之處于準(zhǔn)備消防狀態(tài)，穩(wěn)壓泵是長(zhǎng)期值班間歇運(yùn)行。而消防泵在平時(shí)是不工作的，僅在發(fā)生火災(zāi)時(shí)才啟動(dòng)工作，而且消防滅火時(shí)間只有2~3小時(shí)。因此，上述變頻調(diào)速供水的優(yōu)點(diǎn)對(duì)消防泵而言是沒(méi)有多大意義的。所以對(duì)消防泵來(lái)說(shuō)，沒(méi)有必要采用變頻調(diào)速控制。穩(wěn)壓泵長(zhǎng)期值班間歇運(yùn)行，采用變頻調(diào)速控制是實(shí)用的、有意義的，變頻調(diào)速供水的優(yōu)點(diǎn)可以充分發(fā)揮。此外，穩(wěn)壓泵的功率一般較小，因而穩(wěn)壓變頻器的功率及價(jià)格也相應(yīng)較低;所以采用變頻穩(wěn)壓具有良好的性價(jià)比。如采用某些品牌的國(guó)際先進(jìn)的變頻器，這種變頻器本身具有水泵恒壓供水控制的功能(例如abb公司的變頻器)，具有不用水時(shí)變頻泵自動(dòng)停泵，用水時(shí)自動(dòng)啟泵的功能，更適宜于變頻穩(wěn)壓泵使用。
根據(jù)筆者研究、使用、實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，變頻穩(wěn)壓工頻消防是一種經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)、實(shí)用的消防給水方案。
3 變頻調(diào)速給水方式
按供水特性，變頻調(diào)速供水分恒壓變流量和變壓變流量供水兩大類。所謂恒壓變流量供水是指用水流量改變而供水壓力始終保持不變的一種供水方式。所謂變壓變流量是指供水壓力隨流量增加而升高的一種供水方式。設(shè)供水管路的流阻特性方程式為:
式中，h為供水揚(yáng)程， 為供水高度(m)，q為供水流量( )，a為系數(shù)，隨管路及所用單位制而異。理想的變壓變流量供水特性h=f(q) 應(yīng)當(dāng)符合式(1)。按此特性供水，能保證在任何流量下供水管路末端恒壓。實(shí)際上，在建筑設(shè)計(jì)及使用階段均難以給出供水管路的流阻特性方程式(1)，因而也無(wú)法實(shí)現(xiàn)理想規(guī)律(用式(1)表達(dá))的變壓變量供水。此外，理想的變壓變量供水必須是針對(duì)某一具體供水管路的，沒(méi)有通用性。因此，在通常情況下理想的變壓變量供水實(shí)際無(wú)多大的實(shí)用價(jià)值。目前，就通用的變頻調(diào)速供水系統(tǒng)(設(shè)備)而言，沒(méi)有一個(gè)是按理想的變壓變量供水特性設(shè)計(jì)的。實(shí)用的變壓變量給水設(shè)備是這樣設(shè)計(jì)的，即供水壓力隨流量增大而躍階上升。對(duì)于多泵并聯(lián)恒壓供水而言，具體的方案是系統(tǒng)按變頻恒壓供水設(shè)計(jì)，恒壓值隨水泵投入的臺(tái)數(shù)而躍階上升。每臺(tái)泵投入時(shí)的躍階值可按需設(shè)定。這樣有可能使階梯的供水h-q特性接近理想的變壓變量h-q特性，從而獲得優(yōu)良的節(jié)能效果。這種變壓變量的供水方式命名為準(zhǔn)變壓變量供水。這種準(zhǔn)變壓變量給水控制方式具有通用性、實(shí)用性，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外變頻給水系統(tǒng)或設(shè)備上應(yīng)用。例如abb公司生產(chǎn)的變頻器，按pfc應(yīng)用宏工作可具有準(zhǔn)變壓變量供水的功能。
4 變頻調(diào)速給水變頻泵的自動(dòng)停泵(睡眠)與自動(dòng)開(kāi)泵(喚醒)功能
變頻恒壓供水，在任何流量下(不能大于泵的供水能力)通過(guò)變頻調(diào)速，自動(dòng)維持恒壓。在不用水時(shí)(q=0)水泵低速運(yùn)行以維持恒壓。由水泵理論可知，在相似工況下泵的功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比;不用水時(shí)變頻泵的轉(zhuǎn)速最低，泵的能耗也小，因而變頻恒壓供水允許變頻泵長(zhǎng)期不停泵運(yùn)行。然而不用水時(shí)變頻泵以較低轉(zhuǎn)速長(zhǎng)期不停泵運(yùn)行(例如夜間無(wú)人用水時(shí))終究是一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)樗瞄L(zhǎng)期不停泵運(yùn)行要消耗電能并加速水泵磨損。為了在用水時(shí)能夠停泵，國(guó)內(nèi)不少變頻給水設(shè)備廠家，在系統(tǒng)中設(shè)置了小工頻泵和小氣壓罐按氣壓式給水的方式工作。眾所周知，工頻泵與氣壓罐協(xié)同工作必須根據(jù)壓力控制工頻泵開(kāi)-停。此時(shí)氣壓罐的容積必須夠大，否則會(huì)出現(xiàn)水泵頻繁開(kāi)-停問(wèn)題。此外，即使采用了足夠大的氣壓罐，如果氣壓罐不能自動(dòng)補(bǔ)氣，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中氣壓罐中的氣體漏失，其結(jié)果相當(dāng)于縮小了氣壓罐的容積，最后也會(huì)導(dǎo)致工頻泵的頻繁開(kāi)-停，在嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)水泵電機(jī)燒毀。據(jù)了解國(guó)內(nèi)不少變頻給水設(shè)備廠家均可解決設(shè)置小工頻泵、小氣壓罐帶來(lái)的上述問(wèn)題。
為解決變頻恒壓供水不用水時(shí)變頻泵能夠自停，可以采用這樣一種控制方案:在變頻恒壓供水過(guò)程中，當(dāng)用水流量下降，變頻泵的轉(zhuǎn)速(頻率)降低，當(dāng)頻率降低到零流量的閾值并持續(xù)一定時(shí)間(判斷無(wú)人用水的時(shí)間)后，電腦發(fā)出停泵指令，使變頻泵停泵(自動(dòng)睡眠)。在停泵期間由小氣壓罐維持供水，當(dāng)氣壓罐壓力(即供水壓力)降低到某一設(shè)定值，電腦接受此壓力信息發(fā)出開(kāi)泵指令，變頻泵啟動(dòng)(自動(dòng)喚醒)恢復(fù)恒壓供水。這種停泵、開(kāi)泵控制方式不存在上述小工頻泵小氣壓罐按氣壓式給水控制方式工作的缺點(diǎn)，稱之為變頻泵的自動(dòng)睡眠與自動(dòng)喚醒控制功能。這種控制方式已在筆者公司開(kāi)發(fā)研制的yld-bp系列智能型變頻給水設(shè)備上應(yīng)用。經(jīng)試驗(yàn)與交付用戶使用證明十分成功。
5 多泵并聯(lián)恒壓供水水泵的合理配置
由多泵并聯(lián)恒壓供水原理，一臺(tái)變頻泵與多臺(tái)工頻泵并聯(lián)恒壓供水，其最大供水流量等于各并聯(lián)泵在恒壓工頻轉(zhuǎn)速下流量之和。在恒壓供水過(guò)程中，工頻泵的流量是恒定的(恒壓工頻轉(zhuǎn)速下的流量)，變頻泵的流量隨用水流量而變化。為保證能在零到最大流量范圍內(nèi)均能獲得恒壓供水，在配泵時(shí)要求變頻泵是所有泵中的最大者�？紤]到變頻器的價(jià)格與其功率成正比，最經(jīng)濟(jì)的配泵方案是所有泵的大小、型號(hào)相同。
6 多泵并聯(lián)恒壓供水時(shí)各泵的自動(dòng)投入和退出方式
由多泵并聯(lián)恒壓供水原理可知，多泵并聯(lián)恒壓供水，只要變頻泵在所有泵中是最大的，即可實(shí)現(xiàn)恒壓供水。隨用水流量變化，各并聯(lián)泵可自動(dòng)投入或退出。其自動(dòng)投入或退出的方式有二種:
(1) 以工頻狀態(tài)自動(dòng)投入或退出
第一種方式是基本方式，各臺(tái)工頻泵以工頻狀態(tài)自動(dòng)投入或退出。具體方式如下，當(dāng)用水流量增加，變頻泵的轉(zhuǎn)速上升，當(dāng)上升到工頻轉(zhuǎn)速，如用水流量繼續(xù)增加，下一臺(tái)工頻泵以工頻狀態(tài)自動(dòng)投入，反之，在多泵并聯(lián)恒壓供水過(guò)程中，當(dāng)用水流量減少，變頻泵轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)其轉(zhuǎn)速下降到零流量的閾值，最后投入的一臺(tái)工頻自動(dòng)停泵退出，采用這種控制方式的電控系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單、可靠，是一種工程實(shí)用的控制方式。設(shè)有變頻恒壓供水控制硬件、軟件的abb變頻器采用的是這種控制方式。如果要實(shí)現(xiàn)變頻泵與工頻泵定時(shí)輪換，可以利用abb變頻器的pfc應(yīng)用宏控制軟件以達(dá)到所要求的定時(shí)輪換控制。在這種情況下，每臺(tái)泵可由變頻驅(qū)動(dòng)也可由工頻驅(qū)動(dòng)，由變頻控制以實(shí)現(xiàn)定時(shí)輪換。
(2) 循環(huán)軟起動(dòng)并按先開(kāi)先停的原則進(jìn)行控制
第二種方式稱之為循環(huán)軟起動(dòng)并按先開(kāi)先停的原則進(jìn)行控制。具體控制過(guò)程如下:當(dāng)用水流量增加，變頻泵轉(zhuǎn)速上升，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到工頻轉(zhuǎn)速，由變頻控制器控制使該變頻泵切換到工頻運(yùn)行，然后由控制器控制變頻軟起動(dòng)一臺(tái)新泵，新起動(dòng)的泵是變頻泵，它與工頻泵并聯(lián)運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)恒壓供水。當(dāng)用水流量減少，變頻泵的轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到零流量的閾值，由變頻控制器控制使最先開(kāi)啟的一臺(tái)泵停泵，以實(shí)現(xiàn)先開(kāi)先停的控制原則，要實(shí)現(xiàn)先開(kāi)后停的原則，變頻控制器中要應(yīng)用單片機(jī)，由以上可見(jiàn)，采用這種控制方式，其控制系統(tǒng)要復(fù)雜得多，其性價(jià)比如何尚有待使用實(shí)踐的檢驗(yàn)。
7 多泵并聯(lián)恒壓供水，各泵自動(dòng)投入或退出過(guò)程防止水力沖擊的措施
如上所述，當(dāng)采用第一種控制方式，在工頻泵投入時(shí)為減少水力沖擊，在此過(guò)程中可使變頻泵的轉(zhuǎn)速先下降，然后慢慢上升以達(dá)到恒壓供水。反之，當(dāng)用水流量減少，各并聯(lián)的工頻泵應(yīng)依次退出。在工頻泵停泵退出時(shí)為減少水力沖擊，變頻泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)自動(dòng)上升，然后慢慢下降。試驗(yàn)研究表明，采取這種控制措施可以有效地緩解在工頻泵投入或退出過(guò)程中的水力沖擊。
8 結(jié)束語(yǔ)
變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)已得到較多應(yīng)用，但采用何種控制方式，實(shí)現(xiàn)恒壓供水最合適，要根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和條件作具體分析。現(xiàn)在恒壓供水技術(shù)仍在不斷發(fā)展，希望與同仁們共同探討和交流。
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