变频给水技术在供水系统中的应用及节能分析★

魏天云

(福建船政交通职业学院，福建福州　350007)



变频给水技术在供水系统中的应用及节能分析★

魏天云

(福建船政交通职业学院，福建福州350007)

摘要:结合建筑给水系统的主要参数和供水系统的特性，分析比较了阀门控制法和转速控制法调节水量的区别，并分析了水锤效应产生的原因和预防措施，采用变频调速有利于消除水锤效应，延长水泵的使用寿命。

关键词:给水系统，阀门控制，转速控制，节能，水泵

在建筑生活给水系统中，变频供水是一项重要的技术，它具有自动化程度高、输水水压稳定、对水质的影响较小，可以根据用水量大小自动调节，从而节约电能，且维护管理方便的特点，因而得到了广泛应用。若对变频设备的工作原理了解不透彻，选用不当，不但难以发挥设备应有的使用性能，还会造成电能的浪费，增加投资成本，达不到预期效果。因此，有必要先了解变频给水技术的原理、节能效果和对水泵特性的影响，然后根据生活给水系统的用水特性、规模、水质特点以及投资成本等综合考虑选用变频设备。

1　住宅建筑给水系统主要参数

1)扬程H。单位质量的水从水泵进口到出口所增加的能量除以重力加速度。2)静扬程HB。指集水池测压管水面与出水池测压管水面的标高差。3)流量Q。水泵在单位时间内抽送水的体积或质量。4)功率P。单位时间内水泵所做的功。5)管阻系数R。其影响因素较多，一般采用管路特性曲线图来表示。扬程曲线与管阻特性曲线见图1。

图1　扬程曲线与管阻特性曲线

2　流量调节的方法与比较

流量是供水系统中的一个重要参数，流量控制好了才能保证节能。控制流量的方法有两种:阀门控制法和转速控制法［1-4］。

2．1阀门控制法

在水泵转速保持基本不变的情况下(一般是额定转速)，根据阀门的开度来控制供水系统流量。该方法指的是:流量的大小通过改变管路中阻力的大小来控制，但是不改变水泵自身的供水特性，从而满足用户的需求。由图1可知，假设通过减小阀门的开度使到达用户的流量Qx=60%Qn(Qn为额定流量)，此时Q—H特性曲线没有发生变化，仍然是曲线①，而曲线③是管阻特性曲线，曲线①与曲线③的交点E即为供水系统的工作点，偏离了原先的N点，此时的流量QE(等于Qx)随之降低，扬程变为HE，由公式可知，供水功率P1与面积ODEJ之间成正比关系。

2．2转速控制法

在保持阀门开度不变(一般为最大开度)的情况下，供水流量的大小可以考虑采用改变水泵的转速来实现，满足用户对水量不同的需求。水泵的转速发生改变，管阻特性保持不变，但Q—H特性曲线会跟着一起发生变化。

假设到达用户的流量为额定流量的60%，即Qx=60%Qn，可以通过降低水泵的转速实现。此时，管阻特性曲线没有发生改变，仍然是曲线②，但是Q—H特性曲线改变为曲线④，两线的交点在C点，即工作点移到C点，其流量大小降到QE(等于Qx)，扬程也降到HC，此时，供水功率PC和ODCK面积之间成正比关系。

2．3两种方法的比较

根据以上的分析可以看出，阀门控制法和转速控制法两种流量调节的方法存在一定的差别。即如果在用户所需的流量小于给水系统的额定流量(Qx＜100%Qn)的条件下，采用阀门控制的扬程要比转速控制的扬程大很多。因此，从所消耗的供水功率上来说，采用阀门控制的方式要比转速控制的方式大很多。由此可知，采用变频调速的供水系统具有良好的节能效果。转速控制方式所节约的供水功率等于阀门控制方式与转速控制方式所消耗的供水功率之差ΔP，其大小和KCEJ面积之间成正比关系。

2．4从水泵工作效率看节能

1)将水泵的有效功率P1与轴功率P2的比值定义为工作效率η:

其中，工作效率η分别涉及到供水系统的效率以及水泵自身的效率;轴功率P2指的是电动机的输出功率;水泵的有效功率P1指的是水泵的输出功率。

2)水泵的工作效率相对值η*用式(2)表示:

其中，C1，C2均为常数，它们之间的关系是:C1－C2=1;Q*为水泵流量的相对值;η*为水泵工作效率的相对值;n*为水泵转速的相对值。

3)由式(2)可知，减小流量可以通过控制阀门的开度来实现，因为转速不变，即n*=1，则Q*/n*=Q*，说明供水系统的流量降低，则水泵的工作效率也随着显著降低。如果阀门的开度保持不变，采用转速控制方式来调节流量，因为流量Q*与转速n*之间成正比关系，此时Q*/n*的比值恒定。表明采用转速控制方式来调节供水流量，可以确保水泵的工作效率一直运行在最佳状态，其节能效果更优［5-7］。

2．5从电动机的效率看节能

在供水系统设计过程中，水泵的额定扬程以及额定流量所受的影响因素较多，比如无法预测用户的管路情况，难以准确计算管阻特性等，因此它们所给的裕量较大。这会出现即使在实际用水高峰期时，电动机功率还是偏大，导致它的效率和功率因数都偏低［8］。如果采用控制转速，即把排水阀全部开启，电动机的转速就能适当降低，让它在较低的频率工作，根据负荷的大小来对输入电压进行调节，就能让电动机的工作效率处于较高值，从而更好地达到节能的效果。

3　水锤效应和水泵的寿命

3．1水锤效应

异步电动机从启动开始到额定转速运行，大概只要花费0．25 s，在这极短时间内，管道内的水流量就能够迅速由零增加到额定流量。水在流动过程中具有一定的动量，并在高压下会产生压缩现象，所以，流量在瞬间内的极大变化，会使管道内的水压过大，流动过程中对管道造成冲击，并由于卷入空气而产生空化现象。由于管壁受水压冲击而产生噪声，好像使用锤子来敲打管道发出的声音一样，这就是启泵水锤效应。启泵水锤效应将会引起管道产生破裂，影响正常供水系统的运行，同时，启泵水锤效应还会使阀门以及固定件等发生损坏。

3．2水锤效应的原因分析

图2　异步电动机和水泵在启动过程中的机械特性示意图

异步电动机在启动以及制动过程中所产生的较大转矩是引起水锤效应的根源。图2是异步电动机和水泵在启动过程中的机械特性示意图，异步电动机在不同频率下的机械特性如曲线①所示，而水泵的机械特性如曲线②所示，图2中的阴影部分表示异步电动机与水泵的动态转矩之差T。在异步电动机的运行过程中，其加速的时间由动态转矩直接决定［9］:

由图2a)可以看出，若水泵直接启动，则异步电动机的运行系统中的转矩(图2a)中的阴影部分)T非常大。即此时管道壁受水流的冲击非常大，其水锤效应的影响也比较大，所以，要控制好异步电动机在瞬时加速过程中转矩的变化。

3．3消除水锤效应的措施

若通过转速法来控制流量，即选择变频调速来调节流量的大小，如图2b)所示，异步电动机的动态转矩的大小将随着其加速过程时间的延长而降低。不同频率下异步电动机的机械特性如曲线①所示，并且水泵机械特性如曲线②所示，中间锯齿状线表示的是在不同频率条件下，电动机的机械特性与水泵机械特性之间的差值，亦即升速过程中的电动机动态转矩。同理，在异步电动机停止运行过程中，可以通过延长降速时间，从而减小其动态转矩，尽量消除水锤效应的影响。

3．4延长水泵寿命的措施

通过采用变频调速之后，水泵在运行过程中的动态转矩显著降低，有利于消除水泵的水锤效应的影响，同时，可以降低叶片所承受的应力，减小轴承的磨损，因此水泵以及管道、阀门供水系统的寿命得到明显提高。

4　结语

1)通过比较分析阀门控制法和转速控制法两种流量控制方法的区别，指出采用转速控制方式来调节供水流量可以使水泵和电动机的工作效率处于更高的状态，从而更加节能。

2)提出消除水锤效应的措施，采用变频调速技术有利于消除水锤效应，提高水泵的使用寿命。

参考文献:

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［3］ 魏天云，刘德明．节水用水器具的节水效益分析与工程应用［J］．安阳工学院学报，2016，15(2):54-56．

［4］王峰，黄伟乐，颜正惠．某超高层建筑供水系统方案比较［J］．给水排水，2013(5):80-83．

［5］ 杨豫森，朱凯，吴之非．分布式混水机组和分布式变频水泵在分区供暖系统中的应用［J］．暖通空调，2014(E04):6-10．

［6］陈礼洪，蒋柱武，程宏伟，等．二次供水变频水泵低效运行成因及其对策［J］．福建工程学院学报，2012(4):322-325．

［7］ 魏天云．建筑给排水设计中的节水节能分析［J］．福建建材，2013(12):64-66．

［8］ 郭洪伟，刘佳．超高层建筑高位水箱设置问题探讨［J］．城市建筑，2013(10):248-249．

［9］ 刘良．变频供水系统的节能分析［J］．矿山机械，2007(3): 91-93．

中图分类号:TU991

文献标识码:A

文章编号:1009-6825(2016)17-0114-02

收稿日期:2016-04-09 ★:福建省教育厅科技项目(项目编号:JA15655，JB12356)资助

作者简介:魏天云(1979-)，女，硕士，副教授，高级工程师

Application and energy saving analysis of frequency conversion water supply technology in water supply system★

Wei Tianyun
(Fujian Chuanzheng Communications College，Fuzhou 350007，China)

Abstract:Combined with the main parameter and characteristics of building water supply system，the difference of the the way of valve control and speed control were analyzed and compared．The reason of water hammer effect was analyzed and preventive measures were put forward，frequency conversion speed regulation could eliminate water hammer effect and extend the life of pump．

Key words:water supply system，valve control，speed control，save energy，pump