變頻調速技術在箱式無負壓給水系統中的應用
變頻調速技術在箱式無負壓給水系統中的應用
一、前言：
箱式無負壓給水系統水泵是城市給水系統中最主要的耗能設備，根據對多個送水泵房中運行水泵的調查發現，大多數水泵的實際運行揚程小于水泵的銘牌揚程，有的甚至相差30％以上。因此導致了水泵運行效率降低，能源浪費嚴重，電機時常超負荷運行，產生這種現象的原因除市政基礎設施應具有超前性、水量預測偏大以外，選泵方法不合理、水泵搭配不當也是重要原因之一。
目前給水管網大都為無水塔直供管網，現有規范規定按最高日最高時流量來計算揚程選泵，而在最高時以外的絕大多數工況下，其所需揚程低于最高時計算揚程。而當最高時工況下的水泵工作點在高效區時，則水泵在平時大部分時間工況點將會移至高效區之外，從而水泵運行效率較低，造成能量的浪費。改進的方法是選擇水泵時，其揚程依據主要應以平均時用水量來計算揚程，水泵臺數不宜太少且應不同型號的水泵相互搭配。本文將通過實例來探討如何恰當選用水泵降低能耗以適應城市用水量變化的需求。
二、箱式無負壓給水系統實例：
某一水廠原設計供水能力10萬M3/日，送水泵房選用5臺單級雙吸中開式離心泵，分別為RDL500—790AIS水泵3臺，水泵揚程57.5M，流量3084M3/h，配用電機功率630KW；14sh—9B水泵2臺，水泵揚程55M，流量1080M3/h，水泵效率78％，配用電機功率250KW；目前城市實際需水量在2.6－－-3.6萬M3/日之間，小時流量在1600M3/h－－3000M3/h之間，水泵出口壓力在0.4MPa左右，時流量在2000M3/h左右全年有8個月時間。
1、存在問題：由于原設計水量偏大，目前平時一般是開1臺小的水泵即14SH—9B即可滿足需求，由于原設計水泵揚程偏高，實際需求揚程較低（出廠壓力0.40MPa），當水泵出口閥門全部打開管網壓力低時，水泵小時流量可達到1600M3/h，產生汽蝕現象，水泵效率嚴重偏離高效區，并且電機超負荷運行，電機發熱，極易發生燒壞電機現象。當需水量達到1700－－2000M3/h時，就必須開2臺小的14SH—9B水泵，這時2臺水泵全部要關小出口閥門的辦法來進行流量調節，以滿足管網壓力需求，這時2臺水泵效率極低，大量的能量消耗在閥門上，并且閥門損壞嚴重。
2、解決問題的辦法：首先我們對14SH—9B進行改造，在不更換原有電機的前提下，重新選用1臺KQSN400-N13水泵揚程45M，流量1632M3/h，水泵效率87％，這樣平時開1臺水泵即可滿足用水需求，并且水泵也能運行在高效區；再次對原來大的RDL500-790AIS水泵進行改造(此水泵沒有安裝配套電機)，更換1臺KQSN600-M13水泵揚程42M，流量2980M3/h，水泵效率85％，配用電機450KW，并且在此機組上安裝變頻調速裝置，以適應各種用水量變化的需求，通過以上改造，完全可以適應今后3－－5年內城市用水變化的需求。
水泵不同組合適應不同用水需求情況
序號
水泵型號
額定出水量(M3/h)
實際出水量(M3/h)
需求水量(M3/h)
水泵組合情況
備注
1#
14SH-9B
1080
1200-1600
1200-1600
1#
2#
KQSN400-N13
1632
1600-2200
1600-2200
2#
3#
KQSN600-M13
2980
1700-3400
1700-3400
3#
安裝調速裝置
3400-4500
2#+3#
KQSN600－－M13型水泵性能曲線圖
N400-N13型水泵性能曲線圖
3、箱式無負壓給水系統能量消耗計算：
依據供水水量的不同，在揚程40M的條件下，根據水泵的性能曲線，電機效率按92％計算，按照公式W＝QH/102η(KWh) 分別計算改造前后水泵的單耗，計算結果見表，從表中可以看出改造前后的效果。
式中 Q——泵站出水量(L/s)；
H——水泵的實際運行揚程(M)；
η——水泵綜合效率，η=η1·η2
η1——水泵運行效率；
η2——水泵電機效率；
箱式無負壓給水系統水泵機組改造前后能量消耗比較
用水量需求（M3/h)
1200-1600
1600-2200
1700-3400
改造前
水泵型號
14SH-9B
14SH-9B+14SH-9B
14SH-9B+14SH-9B
配用電機(KW)
250
250+250
250+250
其中KQSN600-M13更改為調速
單位電耗(KWH/M3)
0.164
0.312
0.299
改造后
水泵型號
KQSN400-N13
KQSN400-N13
KQSN600-M13
配用電機(KW)
250
250
450
單位電耗(KWH/M3)
0.141
0.143
0.143
三、結論
根據以上計算分析結果，提出如下合理選擇水泵的原則：
1、目前我國絕大多數城鎮供水管網均不設水塔，由泵站直接供應滿足用戶用水需求，為了適應不同用水量的需求，選用水泵臺數不宜太少，且應大小型號水泵合理搭配，實行階梯式供水，以保證城市用水需求。
2、采用大小型號水泵搭配，小型號水泵流量應為大泵流量的40％～60％，太小或太大都會使水泵不同組合間的水量階梯不均勻，從而降低水泵運行效率。
3、在可能的情況下對電機盡量采用調速裝置，并且調速裝置應安裝在較大的機組上，調速的范圍應控制在60％－－100％之間。
箱式無負壓給水系統概述
箱式無負壓給水系統是在組合式不銹鋼水箱和變頻恒壓供水的基礎上開發研制的，并加裝防負壓、防倒流、防水質惡化等控制裝置。該設備與普通的變頻供水設備和無負壓供水設備相比，具有節能顯著、噪音低、占少、可靠性高等優點，是目前最先進的供水模式。
箱式無負壓給水系統是在原有的變頻恒壓供水設備與無負壓供水設備基礎上升級開發而來的第七代品，它由不銹鋼水箱、專用水泵、智能變頻控制柜、無負壓裝置、增壓裝置、引水裝置和穩壓罐等組成，是由計算機技術、變頻技術與電機泵組合的新型的機電一體化供水設備。以滿足城市供水管網中，抽水時既不產生負壓，又有一定的調蓄能力，高峰期間不斷水停水的要求。采用微機控制變頻泵以一恒定的轉數運行利用自來水原有的壓力能確保用戶所需要的壓力恒定。具有節能、環保、噪音低、供水壓力恒定等優點。
主要技術指標增壓壓力范圍、流量和節能指標，均高于國內其他報道的產品，且結構設計具新穎性，總體水平達到國內領先，國際先進水平，因此，在市場上具有極大的競爭優勢。歸納的說，智能化箱式無負壓供水設備設備主要特點是保護管網壓力、調節峰值用水，節能、安全、環保、供水高品質(解決了二次供水污染)和低噪音。
隨著二次供水加壓技術的發展，箱式無負壓給水系統從根本上解決了這些問題。據“供水設備推廣中心”的資料顯示，箱式無負壓供水設備不需建造水塔，投資小、占地少，采用水氣自動調節、自動運轉、節能與自來水自動并網，停電后仍可供水，調試后數年不需看管。比建造水塔節約投資70%，比建造高位水箱節約投資60%，大大節約土建投資。
箱式無負壓給水系統廣泛用于企事業單位、住宅區及農村的生產、生活、辦公用水。供水戶在20－2000戶。日供水量在20－50000m3，供水高度達150米，即50層樓房。
箱式無負壓給水系統工作原理
當公共供水管網≤0.2Mpa時(可自由設定0.2—0.4Mpa)無負壓裝置關閉，無負壓進水裝置打開，由水箱供水，反之當公共供水管網壓力≥0.2Mpa時，延時10分鐘(時間可調整)無負壓裝置打開無負壓進水裝置關閉，由公共供水管網供水。無負壓水箱內存儲的水通過智能控制每6小時循環一次確保水質新鮮、純凈。
箱式無負壓給水系統的變頻泵以一定的轉速運行，利用自來水原有的壓力實現疊加能確保用戶所需的壓力和壓力恒定。無負壓水箱變頻泵的進水口與無負壓裝置和無負壓進水裝置連接，通過無負壓裝置的開啟與停止達到自來水管網不產生負壓在無負壓裝置起停的同時?無負壓進水裝置會做出與無負裝置相反的動作。
自來水管網停水無負壓裝置自動關閉，水箱的無負壓進水裝置自動打開由水箱供水。當水箱液位低至一定程度時，無負壓進水裝置自動關閉，設備自動停機，復電時自動投入運行。
箱式無負壓給水系統具體說明
1.保證管網壓力：調節峰值用水，水箱入口處采用了智能化的電磁閥來控制進水壓力及水位。當管網壓力下降加壓泵從水箱取水時，可通過智能控制，當水箱水位低于一定液位時，再打開電磁閥從管網中放水，此時保證取水口一定的壓力。此措施一可以避開高峰用水，起調峰作用，二是避免了普通水箱的零壓力泄水，對管網壓力是一個很好的保護作用。
2.配置獨特：“供水設備推廣中心”所介紹的設備，都是引領供水設備發展的前沿，均采用引進國際先進技術和關鍵設備，并結合專用泵。它用水冷式電機、水冷式軸承、全封閉絕對滴水不漏，噪音低于50分貝，防止水箱空間小，常規電機發熱而燒壞電機和設備。
3.運行可靠性：當用水高峰時，或自來水停水時，由水箱供水，大大提高用戶用水的可靠性，完全符合自水供水規范。
4.環保無污染：此成套設備中水箱、水泵、管路及閥門等涉水材料均采用食品級不銹鋼材料，密封供水，不會產生二次污染，衛生環保。
5.節能：當自來水壓力能滿足用戶用水要求，增壓泵通過變頻控制處于休眠狀態。當非高峰用水時，自來水壓力又達不到用戶用水壓力，水泵可以在自來水水壓（0.2—0.5MPa）的基礎上疊加增壓，差多少補多少充分利用余壓節約電能，節能效果顯著。
箱式無負壓給水系統適用范圍
1.適用地域范圍：適用于城市管網壓力較充足的地區加壓給水
2.適用工程類型：工礦企業的生產、生活用水、自來水廠的大型給水中間加壓泵站
3.適用工程部位：給水二次加壓系統
4.其它適用范圍：新建、改建、擴建住宅樓、辦公樓、賓館、飯店等公共建筑生活用水
5.使用單位類型：設計單位、施工單位、監理單位
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