工作原理及系统原理图.docx

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工作原理及系统原理图

1水泵变频调速给水系统

1.1　水泵变频调速的基本原理

水泵变频调速是靠其动力设备三相交流异步电动机的调速性能来实现的。

交流异步电动机的转速表达式为：

n=60f（1-S）/p　

（1）

式中，n为异步电动机转速，f为电源频率，S为电动机转差率，P为电动机定子绕组极对数。

　　从式

（1）中可以看出，因电机生产时，P、S已确定，异步电动机的转速随电源频率的增大而增加，随电源频率的减少而降低。

交流变频器正是通过均匀地改变输入异步电动机定子的供电频率，来调节电动机转速的。

　　又根据水泵的比例定律，改变转速n，可使水泵的流量Q、扬程H、和功率P都随之相应地改变，其关系式：

Q/Q1=n/n1，H/H1=（n/n1）2，P/P1=（n/n1）3…

（2），

式中，n1、Q1、H1、P1分别为改变后的水泵转速、流量、扬程和功率。

　　由

（2）式可以看出，改变水泵的转速，可以改变扬程和流量等，可以满足供水要求，随着转速的降低，水泵消耗的功率与转速相比，是以立方根的方式下降的，节能效果显著。

1.2　变频调速恒压供水原理

　　全自动恒压供水系统，首先根据供水范围内最大用水量时，系统所需的供水压力Ha进行管网压力设定，如图1所示，当流量由Qa减少到Qb时，恒速水泵的扬程升至b处，超出了设定的管网压力Ha，管网压力传感器检测出压力的上升且输出信号发生变化，控制器（PLC）经过PID计算，控制变频器降低输出频率，使水泵的运行转速由n1减少到n2，保持管网恒压在Ha处，这样比恒速泵减少了bb段扬程，避免了由于超压供水造成的电能浪费。

反之，流量由Qc增加到Qb时，用水量大，管网压力下降，经压力信号的反馈，控制器进行PID调节，控制变频器输出频率增加，水泵转速由n3升至n2，保持管网压力恒定在Ha处，既保证了末端用水的需求，保证供水，又避免了水泵转速过高，增加不必要的电能消耗。

图1　变频调速恒压供水原理

1.3　系统组成及应用

　　变频调速恒压供水系统由压力变送器、可编程控制器（PLC）、变频调速器、两台水泵电机、压力设定、液位控制、数据显示和流量积算仪等组成。

当变频器带动水泵启动后，压力变送器向PLC反馈供水管网压力H，PLC将管网压力H与压力设定值Ha进行比较后，再按PID控制规律向变频调速器提供控制信号，改变电机的运行频率和电压，改变电机转速。

这样，构成以设定压力为基准的压力控制闭环系统，见图2。

图2　系统原理图

系统由75KW和45KW两台水泵电机组成，系统具有手动和自动变频两种工作方式。

变频调速供水属无塔给水，应克服高峰供水能力不足问题，但高峰用水时间毕竟不长，大量时间是在低于高峰用水量下运行，尤其在夜间用水量较少，泵效率低，为了降低小流量时大泵运行的能耗，在用水量较少的情况下（如深夜），时间控制器自动改用45KW水泵电机变频调速，进一步节能降耗，提高节能效果。

清水池在液位检测的同时，具有水位高、低报警，且液位低时自动切断变频器供电。

变频调速器自身具有过压、过流、断相、过热保护和故障显示等功能。

管网压力设定值可在0—0.6MPa范围内连续设定。

流量积算仪可显示瞬时和累计流量

1.4QHBS—4H型全自动恒压变量给水设备

1.4.1工作原理及系统原理图

QHBS—4H型全自动恒压变量给水设备是一种采用微机控制的变频调速给水设备。

具有变流量供水时控制水泵的出口压力为恒压或变压的基本功能。

本设备是通过压力传感装置，将实际运行中的压力信号变换成标准的电信号输入微机，经放大、比较、运算等处理后，得到最佳控制参数控制水泵机组的转速和运行台数，进行变频调速运行，满足实际用水量和压力要求，从而达到高效节能和改善供水工况之目的。

该设备的系统原理图如下：

1.4.2QHBS—4H型全自动恒压变量给水设备的工作程序：

水泵机组的变频调速运行，其目的是为了满足用户需要多少水，水泵就提供多少水。

即：

用户用水量增大时，电机立即通过变频调速系统提高转速，若用户用水量减少时，则反之。

下面以三台泵为例详细说明：

1.4.2.1当用水量在一台泵额定流量区间时，1号泵自动启动实行变频调速运行。

1.4.2.2当用水量大于1台泵，而小于2台泵的流量时，1号泵自动切换成工频（即泵的额定转速）运行。

2号泵自动启动实行变频调速运行。

1.4.2.3当用水量大于2台泵，而小于或等于3台泵的流量时，1号、2号泵自动切换成工频运行。

3号泵自动启动实行变频调速运行。

1.4.2.4当用水量减少时，泵的运行程序则反之。

1.4.3QHBS—4B应用

QHBS—4B型全自动变压变量给水设备是供水管网中的一种调节局部压力的设备，具有消防、生产和生活给水的特有功能。

这种设备的基本原理是：

利用在同水泵直接供水系统中并联的一个稳压罐，管网用水量的变化直接反应到稳压罐压力的变化。

利用稳压罐压力变化自动控制水泵的启、停，达到对管网自动地、不间断地供水的目的。

整套设备以微机作为控制中心，全部工作过程均为高智能自动运行，安全、可靠。

以用于消防为例：

QHBS—4B：

该类型设备既有怎么停、启功能，又可附加停电延时供水功能，是目前世界上广泛应用的标准型常高压消防给水设备。

其采用微机控制，安全、可靠。

只要火灾一发生，即能为供水管网提供设定压力的消防用水。

设备启动后，主泵和稳压泵同时向管网和稳压罐供水，压力传感器向控制系统反馈压力信号。

当稳压罐的压力超过设定压力值P0-P1，达到设定压力上限值P2时，即停止运转。

由于管道都有微小的渗漏，所以管网中的压力会以极慢的速度下降。

当压力降至设定压力下限值P1时，稳压泵即启动向管网加压，直至压力升为P2时才停止运转。

这样当一切平安无火警时，消防管网压力将一直保持在P1、P2之间。

当出现火警时，消防器具用水灭火，这时管网压力会下降。

当降至P1时，稳压泵启动，如果此时压力仍下降直至设定值P0时，主泵即自动启动，使压力保持在P1以上，满足灭火用水需要。

火警停止时，水泵仍继续向管网加压。

当压力升到P2时，稳压泵停止运转，而主泵仍然以最佳状态运转。

直到人们完全不再需要时，由专门人员按下控制屏上该泵的手动停止按钮。

（此乃部颁规范规定）。

若用户需要，可附加备用电源UPS或发电机组，控制系统可以做到常用电源与备用电源自动切换，保持供电正常。

2气压罐稳压给水系统

气压给水设备是根据波义耳－马略特定律即在定温条件下，一定质量气体的绝对压力和它所占的体积成反比的原理制造的。

它利用密闭罐中压缩空气的压力变化，调节和压送水量，在给水系统中主要起增压和水量调节作用。

2.1气压罐工作原理

2.1.1玻义耳-马略特定律

2.1.2气压罐工作过程

2.1.2.1气压罐蓄水

2.1.2.2气压罐出水

2.2气压罐给水系统设备

2.2气压罐给水系统实例

气压罐用于顶层消防给水的增压也是设计常用的一种增压设施。

气压罐的主要作用是提供足够的消防水压，而贮存少量的消防用水，室内10min的消防水量仍然贮存在屋顶水箱中，因此，消防气压罐的容积较小，这是与其它气压给水系统的不同之处。

2.1气压罐的工作原理

　　消防气压罐的消防水总容积分为3个部分，即消防贮水容积（调节容积）、缓冲水容积和稳压水容积，如图2所示。

系统平时的压力由稳压泵提供，当压力升高，达到稳压水容积的高水位时，稳压泵自动停止运行；当压力降低，达到稳压水容积的低水位时，稳压泵自动开启，将稳压水容积提升到最高水位。

如此循环以保持系统的高压状态。

当发生火灾时，随着消火栓的投入使用，系统压力开始下降，当降至消防贮水容积的最低水位时，停止稳压泵，自动开启消防泵灭火。

图2　气压罐加压工作原理图

2.2气压罐的设计计算

　　气压罐增压系统的设计计算内容主要有两个部分，即气压罐总容积的计算和每个压力控制点压力值的计算。

总容积的计算确定所选压力罐的大小，压力的计算确定稳压泵的启、停范围以及开启消防泵的压力值。

2.2.1气压罐的总容积V

　　气压罐的总容积一般按公式V=βVX÷（1-αb）计算。

　　式中：

V为气压罐的总容积m3；VX为消防水总容积等于消防贮水容积、缓冲水容积和稳压水容积之和；β为气压罐的容积系数，卧式、立式、隔膜式气压罐的容积系数分别为1.25，1.10和1.05；αb为气压罐最低工作压力和最高工作压力之比（以绝对压力计），一般宜采用0.65～0.85。

　　消防贮水总容积（VX）：

设置气压罐的目的是为了保证火灾发生初期消防泵没有启动之前消火栓和喷头所需的水压，这段时间约为30s。

对于消火栓给水系统，按同时使用2支水枪（每支水枪流量5L/s）计，消防贮水容积为2*5*30=300L；对于自动喷水灭火系统，按5个喷头同时开启，每个喷头以1L/s计，消防贮水容积为5*1*30=150L。

当2个系统共用气压罐时，消防贮水总容积为300+150=450L。

　　缓冲水容积V1一般不小于20L，稳压水容积V2一般不小于50L。

2.2.2压力控制点压力值的计算

　　气压罐设4个压力控制点，如图2所示。

其中：

P1为气压罐最低工作压力点或气压罐充气压力，即消防贮水容积的下限水位压力，等于最不利点消火栓所需的水压Hmin，其计算方法同增压泵；P2为最高工作压力，即启动消防泵的压力值。

按下式计算：

　　P2=（P1+0.098）÷αb-0.098

　　P01为稳压水容积下限水位压力，此时启动稳压泵；P02为稳压水容积上限水位压力，即气压罐最高工作压力，此时停止稳压泵。

　　由于压力传感器有精度、稳定性的要求，一般使缓冲水容积的上、下限水位压差不小于0.02~0.03Mpa；稳压水容积的上、下限水位压差不小于0.05~0.06Mpa。

则：

　　P01=P2+0.02~0.03Mpa　　　　P02=P01+0.05~0.06Mpa=P2+0.07~0.09MPa

2.2.3计算举例

　　笔者在一栋建筑高度接近100m的一类综合楼建筑中，顶部几层采用立式气压罐稳压，屋顶水箱至顶层消火栓栓口的距离:

H=4m。

屋顶水箱至顶层消火栓处的水头损失∑h=0.82m

　　气压罐工作压力比：

αb=0.76

　　气压罐总容积：

V=βVX÷（1-αb）=1.1×（300+20+50）÷（1-0.76）=1.70m3

　　选用：

SQL1000×0.6气压罐一台

　　气压罐充气压力：

　　P1=Hmin=Hq+Hd+HK+∑h-H=0.16+0.01+0.02+0.0082-0.04=0.14（Mpa）

　　最高工作压力：

P2=（P1+0.098）÷αb-0.098=0.14÷0.76-0.098=0.22（Mpa）

　　稳压泵启动压力：

P01=P2+0.02~0.03Mpa=0.22+0.02~0.03=0.24~0.25（Mpa）

　　稳压泵停泵压力：

P02=P2+0.07~0.09Mpa=0.22+0.07~0.09=0.29~0.31（Mpa）

　　稳压泵扬程：

H=（P01+：

P02）÷2=（0.24+0.39）÷2=0.27（Mpa）

　　稳压泵流量：

Q≤5.0L/S

　　选用40LG12-15×2水泵两台一用一备每台：

Q=4.17L/s　　H=27m　　N=2.2KW

2.2.4稳压泵的流量

　　由于消防初期流量由气压罐供给，泵的流量只需考虑系统的渗漏量或气压罐对流量的要求，所以流量可适当选小一点。

对于消火栓系统稳压泵的流量以约小于1个消火栓的出水量计，为≤5L/s。

喷洒系统稳压泵的流量以约小于1个喷头的出水量计，为≤1L/s。

3　两种增压设施的比较

　　单设管道泵的增压系统设备简单，占地面积小，设计与施工都较方便，系统控制简单，保证系统正常工作的前提是需选择性能良好的低功率管道泵，可靠的继电器开停装置；供电应保证双回路并能自动切换。

此种增压方式存在的不足之处为：

对于管网漏损压力波动较大的供水系统，管道泵的启停频繁，设备容易损害，故障率高，能耗提高，从而增加运行费用。

同时消防安全度较低。

　　与单设管道泵的增压系统相比，气压罐不但能调节容积（贮存30s的室内消防用水），更重要的是贮存能量。

稳压泵每启动1次，可以长时间地维持管网压力，设备启动次数少，运行费用低，顶部管网经常处于承压水状态，供水安全可靠。

火灾初期，气压罐不但能保证顶部几层消火栓和喷头的压力要求，而且能提供30s的室内消防用水（450L）。

即消火栓或喷头随时可以取得符合压力要求的消防用水，在这一点上气压罐明显-优于增压泵。

但气压罐增压系统也存在不足之处：

设备占地面积相对较大，一次性投资相对较高。