变频调速供水系统控制方式

在供水系统中，用户用水量的变化会引起管网水压的波动，直接影响用户用水的舒 适性。因此，为了保证用户水压的稳定，需对水泵的运行工况进行调节。变频调速控制 方式主要有三种：①水泵出口恒压控制②给水系统最不利点恒压控制③水泵出口变压控 制[31]。方式①属于恒压变量控制，水泵调速的运行工况沿着恒压水平线变化。方式②、 ③属于变压变量（变频变压）控制，水泵调速的运行工况沿着管路特性曲线变化。实际 应用的最广泛的是水泵出口恒压控制方式，即（恒压变量）变频恒压控制，而变频变压 供水技术只是在理论上更加节能合理。

2.7.1控制点设在水泵出口控制方式

(1)   水泵出口恒压控制

压力控制点设在水泵出口，事先给定一个压力设定值，以此值为参照变速调节水泵

工况，目前建筑小区变频调速供水广泛采用此种控制方式，其工作特性如图2.6所示。

水泵特性曲线与管路特性曲线的交点水压即水泵出口水压，如图2.6水泵特性曲线 n〇与管路特性曲线(Q-Eh)的交点a对应的压力H’为供水量为最大流量Qmx时的最不利 点水压，此压力就是水泵出口的设定压力。当用水量为Qmax时，水泵所提供的压力为H’， 而管路系统最不利点所需压力也为H’，因而不会造成能量浪费；当用水量减少时，通 过调节水泵转速，使其水泵特性曲线下移，即图2.6中ni曲线。由于采用水泵出口恒压 控制方式，所以其工作点始终沿着恒压线H’移动，如图2.6, b点即当流量为Q’时，水 泵新的工况点。此时水泵所提供的压力仍为H’，而管路特性曲线中最不利点所需要的 压力为C点对应的压力，很显然，水泵提供的压力大于系统最不利点所需求的压力，那 么此时会导致最不利点的压力由H〇(H〇为最大流量时，系统最不利点的所需最低压力） 增大到Hi，造成用户处超压，从而浪费了能量。用户用水量越少，管路的水头损失就越 小，浪费得能量也就越多。不难理解，水泵出口恒压控制对用户而言就是变压了，如图

用户处的水压在H。〜H’之间变动，可能给用户造成不便。

(2)   水泵出口变压控制

为了解决水泵出口恒压控制易造成用户水压波动、能量浪费等缺点。可将水泵出口 恒压控制方式改为水泵出口变压力控制方式，从而保证用户处水压恒定，且没有能量浪 费。下面对水泵出口变压力控制方式进行分析。

如图2.7所示，当水泵出口压力沿着管路特性曲线(Q-Eh)变化时，才能保证用户处

的压力恒定为H。不变。而管路特性曲线的方程为：

H=H〇+sQ2  (2.4)

式中H—水泵出口压力设定值；

H〇—用户最不利点最低水压； s—管路摩阻；

Q—系统用水量。

公式（2.4)中，H〇为已知参数，Q为管路实时工作流量，也可测。只要确定管路 摩阻s,则就可得水泵出口压力H。所以，此控制方式在水泵出口设置压力传感器的基 础上，再加上一台流量传感器。将压力传感器测得的水泵出口压力与用式(2.4)计算得出 的水泵出口压力设定值H进行比较，以H为参照调节水泵转速即可保证用户处水压恒 定，这就构成了水泵出口变压控制系统。理论上，此系统的运行工况沿着管路特性曲线 变化，水泵的供给压力与管网要求的水压相等，既避免了能量的浪费，同时保证了用户 水压恒定的要求，是一种十分理想的控制方式。

然而，在实践中由于管路的多变与复杂，要想确定管路摩阻s十分困难。再加上流 量传感器安装要求高，通常需安装在较长的直管段上才能保证较高精度，而泵房空间有 限很难满足这一条件，并且流量传感器价格较贵。由此可知，水泵出口变压控制理论上 十分具有诱惑力，但是实践起来却有很多困难。

在工程实践中，也有一些水泵出口变压控制系统，但是这些系统运行工况并非沿着

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管路特性曲线移动，而是经过简化的水泵出口变压控制，现将其叙述如下。

上述提及到由于管路摩阻损失s很难确定，因此有的工程实践中采用一种简化的水 泵出口变压控制。如图2.7中，取两点（0, H〇)和（Qmax，H')，过此两点的直线方程 为：H=H〇+kQ   (2.5)

式中 k—直线斜率（k= (H’-H〇) HQmax-〇))。

公式（2.5)中，k为已经参数，Q可通过流量传感器测得，那么设定压力H可根据 流量Q按照线性规律变化，这种水泵出口线性化变压的方式在应用中是可实现的，且可 靠性也比较高。

图中，当供水量为Q’时水泵出口恒压、理想变压、线性化变压三种控制方式的工 况点分别为b、c、d。很显然，节能效果最好的是理想化变压控制方式，浪费能量最大 的是水泵出口恒压控制方式，节能效果居中的是线性化变压控制方式。

工程实践中，还有一种较常见的水泵出口变压控制方式。此控制的压力设定值是根 据用水曲线将一天24小时分成若干时段，计算出水泵出口压力，我们可将此种控制方 式看作水泵出口恒压控制的一种特殊形式，因此可称作水泵出口“多恒压”控制方式。 水泵出口“多恒压”控制方式较水泵出口恒压控制方式节能，其节能程度与水泵出口压 力的计算精确度及“多恒压”的阶级数，将“多恒压”分的阶级数越多就越节能，当然 阶级数越多其控制器的线路就越复杂以致于难以实现。目前工程中，一般将此阶级数最 多分为3级，大于3级实现起来就很困难了。

2.7.2控制点设在最不利点控制方式

此控制方式是将控制点设在用户最不利点，以此点最低水压H〇作为系统的调节目 标，此方法是在管网最不利点设置压力传感器，将该点所测压力传输至泵站，然后经过 调节器比较、处理后调节水泵转速，使系统在运行中最不利点处压力恒定为H〇,从而 保证用户水压恒定。如图2.7中，系统供水量为Q’时，要使最不利点水压为H〇,则水 泵特性曲线为n2水泵工况点为c，此时水泵的供给压力等于系统所需水压，无能量浪费。 此控制方式与水泵出口恒压控制相比，在同样供水量时，水泵能以更低的转速工作。与 水泵出口变压控制相比，无需设置流量传感器，控制准确。无论管路特性曲线怎么变化， 都可通过最不利点压力传感器与泵站调节器的比较处理后，调节水泵转速保证最不利点 水压恒定。因此，将压力控制点设在管网系统最不利点相对而言是最合理的。但是，我 们需要知道的是这种控制将压力传感器安装在用户最不利点处，大大地增加了信号线的 长度。并且压力控制点的环境可能是复杂的，特别是工程实践中往往楼房楼层比较高， 面积比较大，控制点离水泵站距离较远，压力信号在传输过程中会受到诸多限制，系统 的惯性较大，最不利处传至水泵站的压力信号会滞后很多，要想精准调节水泵转速非常 困难，难以保证最不利点恒压。因此，目前此种控制方式应用得很少。

2.7节中对几种常见水泵的调速控制方式一水泵出口恒压控制、给水系统最不利点 恒压控制、水泵出口变压控制的特点、原理以及各控制方式的优点及存在的问题进行了 分析。通过以上分析我们知道，水泵出口变压控制、压力控制点设在最不利点处这两种 控制方式在理论上都比水泵出口恒压控制方式节能，但是在建筑小区工程实践中应用得 最广泛的却是水泵出口恒压控制方式。这是因为，水泵出口变压控制存在着用水量测定 精确度、电路控制复杂等问题；压力控制点设在最不利点这种控制方式，由于压力传感 器与泵站距离较远，存在着信号滞后等问题，难以保证水泵转速调节精度。而水泵出口 恒压控制，虽然调速节能方面不如前两种控制方式，但是此控制方式电气控制系统简单， 所需自控仪表少，实现起来方便。并且水泵出口恒压控制大多应用于管路较短的给水系 统，如小区、厂区及建筑物的给水。由于管路短，管路的特性曲线比较平坦，管路特性 曲线与恒压控制线离得就比较近，浪费的能量其实就比较少。综上所述，这些都是目前 水泵出口恒压控制方式得到广泛应用的原因。