鄭州大學 李永剛 湯文博
安陽建筑設計院 郭東安 張文俊
鄭州康達環境設備工程有限公司 李新甫 毛昀鋒
摘 要:介紹了使用普傳PI-2K變頻器的特殊功能解決深水井變頻供水系統中出現的零流量潛水電機損壞以及小流量供水節電問題。
關鍵詞:恒壓供水 節電 潛水泵 小流量
Abstract: The special functions of Powtran PI-2K inverter to solve two problems of deep well water supply system is introduced．One problem is electric submersible pump damage arising from the zero flow state. Another is the energy saving in low flow water supply state．
Keywords: Constant pressure water supply Energy saving Water-submersible pump Low flow
1 引言
隨著變頻技術的發展和變頻調速器的應用，目前變頻器已在許多企事業單位自備井、村鎮自來水等系統中得到廣泛采用。與傳統的水塔供水模式相比，其基建投資和建設周期明顯降低，而且對整體系統保護功能也是有目共睹的。但在實際應用中，時常會出現的零流量潛水電機損壞以及小流量供水節電問題。這是急需妥善解決的兩個突出問題。
2 解決零流量潛水電機損壞問題
在深水井恒壓變頻供水系統中，時常因潛水電泵工作在零流量狀態而導致電機繞組燒損事故，而且這類事故常常出現在在建工程或新建工程水井變頻系統中。我們采用普傳PI-2K變頻器，可以很好地解決這一問題。
一般深水井變頻系統由水井、潛水泵組、變頻控制柜、壓力傳感儀表、管網等幾部分構成，見圖1系統示意圖。對恒壓供水系統，變頻器輸出頻率隨供水量變化而不斷改變，始終調節出水壓力恒定。在小流量甚至零流量的條件下，水泵一般均不會停機，而是以較低的頻率(小流量頻率fL或零流量頻率f0)始終運轉來維持系統的壓力恒定。對于一些新建工程，供水系統常常處于工程建設用水或調試狀態，若系統總閥人為關閉或用水為零流量狀態，這樣潛水電機表面就無水流冷卻，就會導致潛水電機的溫度不斷升高，而一般的深井潛水泵均無過熱保護功能，超過一定的溫升就會導致燒泵。因此，對于運行過程中可能會存在“零流量”的系統應注意，為防止燒泵故障，應及時關閉變頻設備。
從技術和設計的角度，使用普傳PI-2K變頻器的特殊功能可解決這一問題。零流量狀態的產生，一般有兩種情況:總閥(誤)關閉和實際用水量為零流量。
針對前種情況，可利用普傳PI-2K變頻器的“管路阻塞”專用功能，通過設定Pr·H10“管路阻塞認定標準”及Pr·H11“系統預警停機選擇”兩個參數很方便地解決。Pr·H10參數定義為負載電流占變頻器額定電流的百分比，設定值應在實際調試時確定;Pr·H11設定為“1”(停止輸出)。普傳PI-2K變頻器的管路阻塞功能的定義為:變頻器在PID調節方式下以上限頻率運轉，其負載電流低于Pr·H10參數設定值時，變頻器認定有管路阻塞情況發生。若Pr·H11參數設定為“1”(停止輸出)，則變頻器立即停止輸出，并顯示故障信息CHO(管路阻塞)。從圖1可知，當總閥(誤)關閉時，變頻設備運行頻率即升至最高頻率(上限頻率)。若選定“管路阻塞”功能，變頻器會自動停機，保護潛水電泵。應注意:壓力傳感器的安裝位置應在總閥至管網間，若安裝在水泵與總閥間則不能起到保護作用。
針對后種情況，可利用普傳PI-2K變頻器的“停機偵測”專用功能，需設定Pr·H12“停機偵測系數”和Pr·H13“啟動壓力值”兩個參數。Pr·H12參數用于調整系統沒有用水而使電機停車的標準，例如此系數設定為5%，系統設定壓力為0.5 MPa，則停機偵測范圍:
0.5 -(5%×0.5)=0.475 MPa
變頻器隨時在作停機偵測，若反饋壓力大于停機偵測范圍，則系統認為沒有用水，變頻器停止輸出，潛水泵停機。偵測系數設定越大，系統越容易停機。Pr·H13參數定義為反饋壓力占給定壓力的百分比，變頻器在停止狀態下，反饋壓力必須低于此參數設定的啟動壓力時，變頻器才能重新啟動。如上例若想設定啟動壓力為0.4 MPa，則Pr·H13應設定為80%。應注意:啟動壓力值不應大于停機偵測值，否則變頻器會頻繁啟動。該功能對于供水量較小的供水系統和間斷用水系統(如臨時建筑工地用水)比較適宜。但若供水量與用水量接近，且系統沒有一定容量的調節設備(如壓力水罐)，設備會頻繁啟停，管網壓力時高時低，影響設備壽命及用戶使用效果。下面要介紹的小流量節電問題會給出詳細的解決方案。
3 解決小流量節電問題
在傳統的井水變頻恒壓供水系統中，不管用水量大小怎樣變化，水泵均不會停機，這樣對高峰低峰用水量變化較大的生活供水系統，會存在小流量運行狀態不節電甚至浪費的問題。圖2為離心泵變頻調速的特性曲線[1]，理論上，各特性曲線與拋物線OA和OB相交區域為高效工作區即AOB扇形區;實際上，當調速范圍過大時，水泵自身的效率將急劇降低，當轉速降至nmin≈60% n0時，高效區實際已不存在，即真正的高效區應為圖中AJB包圍的陰影扇形區。
實際上，當潛水泵轉速降至70%以下時，水泵泵送效率即很低，水泵噸水耗電量就較高。而生活供水系統的特點是早上、中午、晚上三個用水高峰段(約8個小時)用水量較大，其余時段(約16個小時)用水量均比較小，其中將近有10個小時用水量很小，因此如何解決變頻供水系統小流量狀態的耗電問題至關重要。
對較大的生活小區二次加壓供水系統，宜采用大小泵組匹配的高效變頻供水方案[2]。對深水井變頻供水系統，由于不存在采用小泵匹配問題，對改造項目可利用原有設備如氣壓水罐或水塔作為小流量調節用，對新上項目建議增加調節用氣壓水罐。如圖3所示，變頻控制柜采用西門子LOGO-230RC可編程控制器作為小流量程序控制用;變頻器采用普傳PI-2K型，具有內部PID功能，無需外加PID調節器;壓力傳感儀表選用TNTZ150型耐震遠傳壓力表，由于PI-2K變頻器具有Pr·H15“低壓到達值”檢測功能，故無需再配液位傳感器或電接點壓力表。
系統的控制線路如圖4示，系統具有手動工頻和自動變頻兩種功能。自動變頻供水模式下，當系統用水量較大時，變頻器控制潛水泵恒壓供水，隨著用水量減小，變頻器輸出頻率逐漸降低，當頻率降至設定的小流量頻率時，系統自動關閉變頻器輸出，進入小流量省電供水狀態。當系統壓力降至設定的“低壓到達值”時，變頻器重新工作，系統恢復變頻恒壓供水模式。變頻器的主要參數設定詳見附表，可編程LOGO-230RC的程序比較簡單，在此不再贅述。
附表 變頻器主要參數設定表
序號 功能描述 范 圍 設定值 說 明
F01 運行控制方式 0-2 1 端子控制
F02 頻率設定模式 0-7 6 PID調節
H01 PID調節方式 0-1 0 負反饋
H02 反饋信號選擇 0-2 0 0-10 V
H03 壓力給定信號選擇 0-4 3 鍵盤輸入
H04 鍵盤給定壓力值 0.0-100.0% 0-100 依需要設定
H05 比例增益P 0.1-100.0 10-70 現場整定
H06 積分時間I 0.1-100.0 2-7 現場整定
H12 停機偵測系數 0-20% 0 偵測不動作
H13 啟動壓力值 30-100% 99 大于H15值
H15 低壓到達值 0-100% 50-85 調試確定
H16 傳感器最大量程 1.0-99.0 1.0-99.0 儀表量程
E01 輸出信號選擇1 0-15 3 頻率到達
E02 輸出信號選擇2 0-15 14 低壓力到達
E12 頻率水平檢測1 0.0-400 ~30 調試確定
E13 頻率水平檢測2 0.0-400 ~35 大于E12值
4 結束語
目前市場上變頻器品牌繁多，而且各變頻器廠家針對不同的負載及應用場合開發了各種專用變頻器，為廣大使用者提供了較大的選擇空間，用戶在使用時應詳細了解所選變頻器的功能特點，合理應用其特殊功能，簡化變頻系統的設計。
參考文獻
[1] 谷晉龍．水泵調定混合給水系統運行工況分析. 給水排水，1997，23(12)
[2] 李永剛，等．幾種變頻供水設備的應用與控制. 給水排水，2001，27(9)
[3] 普傳變頻調速器PI-2000系列使用說明書
作者簡介
李永剛(1967-) 男 鄭州大學工學院講師，鄭州康達環境設備工程有限公司總工。
