數(shù)字集成全變頻控制恒壓供水設(shè)備 為什么更加節(jié)能（上）？
來源：上海高田制泵有限公司 瀏覽：3720 發(fā)布日期：2019-05-29 06:06:02
變頻調(diào)速增壓供水從二十世紀九十年代開始在我國推廣使用，是我國近二十幾年來應用廣泛的二次增壓供水系統(tǒng)。但圍繞采用變頻調(diào)速供水設(shè)備的用戶是否普遍都有較好的節(jié)能效果，業(yè)內(nèi)卻又一直存有較大爭議。
采用數(shù)字集成全變頻控制技術(shù)研發(fā)成功的水泵專用數(shù)字集成變頻控制器并將其成功應用于建筑二次供水領(lǐng)域，是變頻調(diào)速供水設(shè)備控制技術(shù)研發(fā)進程中的關(guān)鍵突破和重大創(chuàng)舉。數(shù)字集成全變頻控制恒壓供水設(shè)備與傳統(tǒng)單變頻、多變頻恒壓供水設(shè)備相比的顯著特點是高效和節(jié)能，它的推廣應用將引領(lǐng)未來建筑二次供水設(shè)備發(fā)展的主導潮流。
變頻調(diào)速增壓供水從二十世紀九十年代開始在我國推廣使用，是建筑二次供水技術(shù)的里程碑跨越。所以，變頻調(diào)速供水系統(tǒng)也是我國近二十年來應用廣泛的二次增壓供水系統(tǒng)。變頻調(diào)速供水設(shè)備之所以受到如此青睞，除其具有系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定、采用密閉系統(tǒng)使水質(zhì)避免受到二次污染、確保飲水衛(wèi)生和可實現(xiàn)全自動控制、運行安全可靠等諸多特點以外，更重要的一點就是大家普遍認為該系統(tǒng)具有很好的節(jié)能效果。
但是，通過對相當一部分用戶變頻調(diào)速供水設(shè)備運行狀況的長期觀察和現(xiàn)場測試，圍繞變頻調(diào)速供水設(shè)備是否真正節(jié)能或采用變頻調(diào)速供水系統(tǒng)的用戶是否普遍都有較好的節(jié)能效果這一話題？業(yè)內(nèi)卻又一直存有較大爭議。
我們知道，影響變頻調(diào)速供水系統(tǒng)節(jié)能效果的關(guān)鍵因素取決于系統(tǒng)中所選用的變頻調(diào)速供水設(shè)備是否能長期工作在水泵高效區(qū)。而要做到這一點，又主要取決于以下二個方面：
一、設(shè)計人員根據(jù)工程項目供水系統(tǒng)實際情況選用合適、匹配、理想的水泵和水泵機組
根據(jù)水泵相似定律，對同一臺水泵的輸出功率與轉(zhuǎn)速、揚程及流量有如下關(guān)系式：
從以上公式可以看出：當楊程不變時，水泵出水量減小，轉(zhuǎn)速可同比例下降，其所需軸功率也會快速下降，能耗大幅降低。
在恒壓變流量供水系統(tǒng)設(shè)計過程中，設(shè)計人員通常都是按系統(tǒng)設(shè)計流量選擇水泵。變頻調(diào)速供水設(shè)備實現(xiàn)節(jié)能的原理就是：當工作泵出水小于其額定流量時，水泵電機以低于工頻50Hz的頻率運行，水泵轉(zhuǎn)速降低，所消耗的功率也相應降低，從而達到節(jié)能的目的。
但是，從泵組實際運行情況來看，隨著電機轉(zhuǎn)速的變化，水泵和電機的效率也在變化。通常，在水泵轉(zhuǎn)速100％～60%變化范圍內(nèi)（即水泵出水量在100％～60%變化范圍內(nèi)），水泵和電機的效率變化幅度不是很大，節(jié)能效果相對明顯；當水泵轉(zhuǎn)速低于60%時，水泵和電機的效率將顯著降低，不節(jié)能或節(jié)能有限；當頻率降至25Hz以下時，水泵不出水、電機不做功。
而設(shè)備實際運行時系統(tǒng)供水流量是一個動態(tài)變化的過程。以城鎮(zhèn)居住小區(qū)為例，其用水高峰據(jù)統(tǒng)計一般只占全天用水時間的20％左右，即一天中大多數(shù)時段用水需求均處于低峰、低谷狀態(tài)，此時設(shè)備水泵如處于低效率區(qū)運行，勢必造成電能的長時間浪費。
所以，現(xiàn)行《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》、《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施·給水排水》及各大版本《建筑給水排水設(shè)計手冊》都要求工程設(shè)計人員在變頻調(diào)速供水系統(tǒng)設(shè)計中應選擇Q――H特性曲線隨流量增加揚程逐漸下降、高效區(qū)段流量范圍寬、無駝峰的水泵，即泵組高效區(qū)流量范圍與系統(tǒng)日常運行過程中的流量變化范圍之比例相協(xié)調(diào)。從而使泵組工作穩(wěn)定，在多臺水泵并聯(lián)運行時安全可靠，并達到較好的節(jié)能效果。
不過，令廣大建筑給排水設(shè)計人員深感為難的是，設(shè)計采用變頻調(diào)速供水系統(tǒng)的工程項目很多，地域分布范圍又廣，項目和項目之間的系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)千差萬別，每個項目供水系統(tǒng)每年、每季、每月、每天的用水工況都在變化，要選擇到泵組高效區(qū)流量范圍與系統(tǒng)日常使用過程中的流量變化范圍基本吻合的變頻調(diào)速泵組并非易事，實際上難以做到。
二、研發(fā)高效區(qū)范圍更寬、效率更高、更加節(jié)能的變頻調(diào)速供水設(shè)備
自二十世紀末開始，國內(nèi)外知名度較高的多家變頻調(diào)速供水設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)針對用戶實際運行中存在的不節(jié)能或節(jié)能有限的實際情況，都投入了大量的人力、物力和財力，潛心研發(fā)高效區(qū)范圍更寬、效率更高、更加節(jié)能的變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備。而且取得了長足的進步和驕人的業(yè)績。
1、進一步提高水泵效率是一條捷徑，但很可惜基本已無潛力可挖
從1875年至今的130多年時間里，為了不斷提高離心泵的效率，世界水泵研發(fā)制造行業(yè)的精英們做出了艱苦的努力。時至今日，想要再從整體上提高離心泵效率的空間已很微小，哪怕是僅僅提高1％，也似空中樓閣，難以如愿。
2、千方百計提高泵組電機效率
當變頻調(diào)速泵組電機長時間處在低于50Hz 較多的頻率下運行時，泵組運行工況實際上已偏離泵組高效區(qū)段，在非相似工況下的低效率區(qū)范圍工作，其功率消耗也不再遵從與電機轉(zhuǎn)速的三次方成正比的計算公式，泵組效率大大降低，且此時電機容易發(fā)熱，引起軸承潤滑油脂熔化流失，導致噪音增大、電機使用壽命降低。
鑒于上述原因，業(yè)類很多廠家紛紛采用更加先進的電機材料和高效的電機形式，減少電機發(fā)熱能耗損失，從而達到提高整機效率的目的。
3、改變傳統(tǒng)變頻調(diào)速控制方式，采用數(shù)字集成全變頻控制技術(shù)，使變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備在系統(tǒng)任何流量工況都同樣具有明顯的節(jié)能效果。
變頻調(diào)速供水設(shè)備主要是由泵組、管路系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)三大部分組成的。回顧變頻調(diào)速供水設(shè)備的發(fā)展歷程，在著眼提高泵組效率的同時，還得益于近三十年來電氣控制元器件的多次更新?lián)Q代，其泵組電氣控制技術(shù)也先后經(jīng)歷了三個主要發(fā)展階段。
（1）早期采用由通用變頻器、PLC控制器和繼電器控制電路組成的變頻調(diào)速控制技術(shù)（即早期單變頻控制技術(shù)）
早期（第一階段）變頻調(diào)速供水設(shè)備采用的電氣控制技術(shù)是在傳統(tǒng)工頻運行水泵繼電器控制電路的基礎(chǔ)上增加了一個變頻器和一個PLC可編程控制器，即由通用變頻器、PLC可編程控制器和大量的開關(guān)、繼電器、交流接觸器、各類連接導線等觸點開關(guān)類電氣元器件和體積龐大的控制柜組成（見圖1）。
這種控制系統(tǒng)中的PLC可編程控制器、通用變頻器雖然能使泵組根據(jù)系統(tǒng)流量變化變頻調(diào)速運行，但因受水泵自身高效區(qū)范圍較窄制約，使變頻泵只在出水量100％～60% 變化區(qū)段有較明顯節(jié)能效果；水泵的啟動和停止依然要完全依靠繼電器電路來控制，水泵的運行也只能實現(xiàn)自動啟停和手動應急啟停；且其控制電路自身控制元器件多、觸點切換容易產(chǎn)生故障、電路元器件發(fā)熱產(chǎn)生較大能耗（約為水泵電機額定功率的3％～5％），控制柜體積大；設(shè)備調(diào)試操作技術(shù)要求高、需專業(yè)人員根據(jù)系統(tǒng)工況的不同現(xiàn)場獨立編程、整機標準化程度較低、不利于售后的維護和維修；設(shè)備運行過程中隨著系統(tǒng)用水量的增加，水泵在變頻——工頻轉(zhuǎn)換（即加泵）時，新投入運行的水泵從零流量至變頻軟啟動正常供水通常會存在一個時間差（36s～180s），引起系統(tǒng)流量和水壓的波動，給用戶正常使用帶來影響。
由于存在上述不足，加上變頻器當時國內(nèi)不能生產(chǎn)，進口價格昂貴，導致這種繼電器電路單變頻控制技術(shù)為新的數(shù)字化電路水泵變頻控制技術(shù)所取代而逐漸退出歷史舞臺，目前已極少在變頻調(diào)速供水設(shè)備中應用了。
（2）局部數(shù)字化電氣電路變頻調(diào)速控制技術(shù)（即中期單變頻、多變頻控制技術(shù)）
中期（第二階段）采用的由一臺或多臺通用變頻器、內(nèi)置PID技術(shù)的水泵專用半導體數(shù)字集成控制器（見圖2）組成的泵組電氣控制電路替代早期由通用變頻器、PLC可編程控制器、觸摸屏、PLC功能擴展模塊、繼電器元件、連接導線組成的繼電器控制電路。即由半導體數(shù)字集成控制電路取代繼電器控制電路。
圖2 半導體數(shù)字集成控制器
與早期采用由一臺通用變頻器、PLC控制器和繼電器控制電路組成的單變頻電氣控制技術(shù)相比，這一技術(shù)的顯著進步是：
它通過內(nèi)置PID數(shù)字集成控制技術(shù)把水泵變頻與控制有可能用到的所有功能集成在一個標準化的數(shù)字集成控制器內(nèi)，從而減少了繼電器等電氣元器件，觸點少，故障率大為降低，提高了整機運行安全性、可靠性；
它采用菜單式液晶顯示和內(nèi)置程序方式，產(chǎn)品標準化程度得到提高，設(shè)備維護管理更加便捷、更加人性化，無需現(xiàn)場調(diào)試人員現(xiàn)場編程,大大減少設(shè)備調(diào)試工作中人為因素的影響。
這一技術(shù)尚存在的不足和缺點是：同第一階段的變頻調(diào)速供水設(shè)備的控制原理一樣是通過一個變頻器（單變頻）及相關(guān)的電氣元器件組成的控制回路，根據(jù)系統(tǒng)流量變化實現(xiàn)加泵或減泵，再通過工頻、變頻切換的方式達到控制一套泵組的目的。即使是為設(shè)備的每臺工作水泵分別配置有變頻器（多變頻），它的運行模式還是這種方式，只是解決了在每臺水泵啟動、停止時實現(xiàn)軟啟動，有利于消除水錘現(xiàn)象。但整套設(shè)備還是只有一個控制系統(tǒng)（如圖3）。泵組中的變頻泵有不在水泵效率區(qū)的運行工況存在，需要用低運行頻率（25Hz）去越過此工況點，使水泵在效率區(qū)段運行，能耗浪費仍然存在。更多產(chǎn)品信息請點擊瀏覽供水設(shè)備系列
采用數(shù)字集成全變頻控制技術(shù)研發(fā)成功的水泵專用數(shù)字集成變頻控制器并將其成功應用于建筑二次供水領(lǐng)域，是變頻調(diào)速供水設(shè)備控制技術(shù)研發(fā)進程中的關(guān)鍵突破和重大創(chuàng)舉。數(shù)字集成全變頻控制恒壓供水設(shè)備與傳統(tǒng)單變頻、多變頻恒壓供水設(shè)備相比的顯著特點是高效和節(jié)能，它的推廣應用將引領(lǐng)未來建筑二次供水設(shè)備發(fā)展的主導潮流。
變頻調(diào)速增壓供水從二十世紀九十年代開始在我國推廣使用，是建筑二次供水技術(shù)的里程碑跨越。所以，變頻調(diào)速供水系統(tǒng)也是我國近二十年來應用廣泛的二次增壓供水系統(tǒng)。變頻調(diào)速供水設(shè)備之所以受到如此青睞，除其具有系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定、采用密閉系統(tǒng)使水質(zhì)避免受到二次污染、確保飲水衛(wèi)生和可實現(xiàn)全自動控制、運行安全可靠等諸多特點以外，更重要的一點就是大家普遍認為該系統(tǒng)具有很好的節(jié)能效果。
但是，通過對相當一部分用戶變頻調(diào)速供水設(shè)備運行狀況的長期觀察和現(xiàn)場測試，圍繞變頻調(diào)速供水設(shè)備是否真正節(jié)能或采用變頻調(diào)速供水系統(tǒng)的用戶是否普遍都有較好的節(jié)能效果這一話題？業(yè)內(nèi)卻又一直存有較大爭議。
我們知道，影響變頻調(diào)速供水系統(tǒng)節(jié)能效果的關(guān)鍵因素取決于系統(tǒng)中所選用的變頻調(diào)速供水設(shè)備是否能長期工作在水泵高效區(qū)。而要做到這一點，又主要取決于以下二個方面：
一、設(shè)計人員根據(jù)工程項目供水系統(tǒng)實際情況選用合適、匹配、理想的水泵和水泵機組
根據(jù)水泵相似定律，對同一臺水泵的輸出功率與轉(zhuǎn)速、揚程及流量有如下關(guān)系式：
從以上公式可以看出：當楊程不變時，水泵出水量減小，轉(zhuǎn)速可同比例下降，其所需軸功率也會快速下降，能耗大幅降低。
在恒壓變流量供水系統(tǒng)設(shè)計過程中，設(shè)計人員通常都是按系統(tǒng)設(shè)計流量選擇水泵。變頻調(diào)速供水設(shè)備實現(xiàn)節(jié)能的原理就是：當工作泵出水小于其額定流量時，水泵電機以低于工頻50Hz的頻率運行，水泵轉(zhuǎn)速降低，所消耗的功率也相應降低，從而達到節(jié)能的目的。
但是，從泵組實際運行情況來看，隨著電機轉(zhuǎn)速的變化，水泵和電機的效率也在變化。通常，在水泵轉(zhuǎn)速100％～60%變化范圍內(nèi)（即水泵出水量在100％～60%變化范圍內(nèi)），水泵和電機的效率變化幅度不是很大，節(jié)能效果相對明顯；當水泵轉(zhuǎn)速低于60%時，水泵和電機的效率將顯著降低，不節(jié)能或節(jié)能有限；當頻率降至25Hz以下時，水泵不出水、電機不做功。
而設(shè)備實際運行時系統(tǒng)供水流量是一個動態(tài)變化的過程。以城鎮(zhèn)居住小區(qū)為例，其用水高峰據(jù)統(tǒng)計一般只占全天用水時間的20％左右，即一天中大多數(shù)時段用水需求均處于低峰、低谷狀態(tài)，此時設(shè)備水泵如處于低效率區(qū)運行，勢必造成電能的長時間浪費。
所以，現(xiàn)行《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》、《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施·給水排水》及各大版本《建筑給水排水設(shè)計手冊》都要求工程設(shè)計人員在變頻調(diào)速供水系統(tǒng)設(shè)計中應選擇Q――H特性曲線隨流量增加揚程逐漸下降、高效區(qū)段流量范圍寬、無駝峰的水泵，即泵組高效區(qū)流量范圍與系統(tǒng)日常運行過程中的流量變化范圍之比例相協(xié)調(diào)。從而使泵組工作穩(wěn)定，在多臺水泵并聯(lián)運行時安全可靠，并達到較好的節(jié)能效果。
不過，令廣大建筑給排水設(shè)計人員深感為難的是，設(shè)計采用變頻調(diào)速供水系統(tǒng)的工程項目很多，地域分布范圍又廣，項目和項目之間的系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)千差萬別，每個項目供水系統(tǒng)每年、每季、每月、每天的用水工況都在變化，要選擇到泵組高效區(qū)流量范圍與系統(tǒng)日常使用過程中的流量變化范圍基本吻合的變頻調(diào)速泵組并非易事，實際上難以做到。
二、研發(fā)高效區(qū)范圍更寬、效率更高、更加節(jié)能的變頻調(diào)速供水設(shè)備
自二十世紀末開始，國內(nèi)外知名度較高的多家變頻調(diào)速供水設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)針對用戶實際運行中存在的不節(jié)能或節(jié)能有限的實際情況，都投入了大量的人力、物力和財力，潛心研發(fā)高效區(qū)范圍更寬、效率更高、更加節(jié)能的變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備。而且取得了長足的進步和驕人的業(yè)績。
1、進一步提高水泵效率是一條捷徑，但很可惜基本已無潛力可挖
從1875年至今的130多年時間里，為了不斷提高離心泵的效率，世界水泵研發(fā)制造行業(yè)的精英們做出了艱苦的努力。時至今日，想要再從整體上提高離心泵效率的空間已很微小，哪怕是僅僅提高1％，也似空中樓閣，難以如愿。
2、千方百計提高泵組電機效率
當變頻調(diào)速泵組電機長時間處在低于50Hz 較多的頻率下運行時，泵組運行工況實際上已偏離泵組高效區(qū)段，在非相似工況下的低效率區(qū)范圍工作，其功率消耗也不再遵從與電機轉(zhuǎn)速的三次方成正比的計算公式，泵組效率大大降低，且此時電機容易發(fā)熱，引起軸承潤滑油脂熔化流失，導致噪音增大、電機使用壽命降低。
鑒于上述原因，業(yè)類很多廠家紛紛采用更加先進的電機材料和高效的電機形式，減少電機發(fā)熱能耗損失，從而達到提高整機效率的目的。
3、改變傳統(tǒng)變頻調(diào)速控制方式，采用數(shù)字集成全變頻控制技術(shù)，使變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備在系統(tǒng)任何流量工況都同樣具有明顯的節(jié)能效果。
變頻調(diào)速供水設(shè)備主要是由泵組、管路系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)三大部分組成的。回顧變頻調(diào)速供水設(shè)備的發(fā)展歷程，在著眼提高泵組效率的同時，還得益于近三十年來電氣控制元器件的多次更新?lián)Q代，其泵組電氣控制技術(shù)也先后經(jīng)歷了三個主要發(fā)展階段。
（1）早期采用由通用變頻器、PLC控制器和繼電器控制電路組成的變頻調(diào)速控制技術(shù)（即早期單變頻控制技術(shù)）
早期（第一階段）變頻調(diào)速供水設(shè)備采用的電氣控制技術(shù)是在傳統(tǒng)工頻運行水泵繼電器控制電路的基礎(chǔ)上增加了一個變頻器和一個PLC可編程控制器，即由通用變頻器、PLC可編程控制器和大量的開關(guān)、繼電器、交流接觸器、各類連接導線等觸點開關(guān)類電氣元器件和體積龐大的控制柜組成（見圖1）。
這種控制系統(tǒng)中的PLC可編程控制器、通用變頻器雖然能使泵組根據(jù)系統(tǒng)流量變化變頻調(diào)速運行，但因受水泵自身高效區(qū)范圍較窄制約，使變頻泵只在出水量100％～60% 變化區(qū)段有較明顯節(jié)能效果；水泵的啟動和停止依然要完全依靠繼電器電路來控制，水泵的運行也只能實現(xiàn)自動啟停和手動應急啟停；且其控制電路自身控制元器件多、觸點切換容易產(chǎn)生故障、電路元器件發(fā)熱產(chǎn)生較大能耗（約為水泵電機額定功率的3％～5％），控制柜體積大；設(shè)備調(diào)試操作技術(shù)要求高、需專業(yè)人員根據(jù)系統(tǒng)工況的不同現(xiàn)場獨立編程、整機標準化程度較低、不利于售后的維護和維修；設(shè)備運行過程中隨著系統(tǒng)用水量的增加，水泵在變頻——工頻轉(zhuǎn)換（即加泵）時，新投入運行的水泵從零流量至變頻軟啟動正常供水通常會存在一個時間差（36s～180s），引起系統(tǒng)流量和水壓的波動，給用戶正常使用帶來影響。
由于存在上述不足，加上變頻器當時國內(nèi)不能生產(chǎn)，進口價格昂貴，導致這種繼電器電路單變頻控制技術(shù)為新的數(shù)字化電路水泵變頻控制技術(shù)所取代而逐漸退出歷史舞臺，目前已極少在變頻調(diào)速供水設(shè)備中應用了。
（2）局部數(shù)字化電氣電路變頻調(diào)速控制技術(shù)（即中期單變頻、多變頻控制技術(shù)）
中期（第二階段）采用的由一臺或多臺通用變頻器、內(nèi)置PID技術(shù)的水泵專用半導體數(shù)字集成控制器（見圖2）組成的泵組電氣控制電路替代早期由通用變頻器、PLC可編程控制器、觸摸屏、PLC功能擴展模塊、繼電器元件、連接導線組成的繼電器控制電路。即由半導體數(shù)字集成控制電路取代繼電器控制電路。
圖2 半導體數(shù)字集成控制器
與早期采用由一臺通用變頻器、PLC控制器和繼電器控制電路組成的單變頻電氣控制技術(shù)相比，這一技術(shù)的顯著進步是：
它通過內(nèi)置PID數(shù)字集成控制技術(shù)把水泵變頻與控制有可能用到的所有功能集成在一個標準化的數(shù)字集成控制器內(nèi)，從而減少了繼電器等電氣元器件，觸點少，故障率大為降低，提高了整機運行安全性、可靠性；
它采用菜單式液晶顯示和內(nèi)置程序方式，產(chǎn)品標準化程度得到提高，設(shè)備維護管理更加便捷、更加人性化，無需現(xiàn)場調(diào)試人員現(xiàn)場編程,大大減少設(shè)備調(diào)試工作中人為因素的影響。
這一技術(shù)尚存在的不足和缺點是：同第一階段的變頻調(diào)速供水設(shè)備的控制原理一樣是通過一個變頻器（單變頻）及相關(guān)的電氣元器件組成的控制回路，根據(jù)系統(tǒng)流量變化實現(xiàn)加泵或減泵，再通過工頻、變頻切換的方式達到控制一套泵組的目的。即使是為設(shè)備的每臺工作水泵分別配置有變頻器（多變頻），它的運行模式還是這種方式，只是解決了在每臺水泵啟動、停止時實現(xiàn)軟啟動，有利于消除水錘現(xiàn)象。但整套設(shè)備還是只有一個控制系統(tǒng)（如圖3）。泵組中的變頻泵有不在水泵效率區(qū)的運行工況存在，需要用低運行頻率（25Hz）去越過此工況點，使水泵在效率區(qū)段運行，能耗浪費仍然存在。更多產(chǎn)品信息請點擊瀏覽供水設(shè)備系列
