高層建筑恒壓供水控制系統設計_畢業設計(論文)(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 效果上明顯優于氣壓罐方式。氣壓罐方式依靠壓力罐中的壓縮空氣送水，氣壓罐配套水泵運行時，水泵在額定轉速、額定流量的條件下工作。當系統所需水量下降時，供水壓力將超出系統所需要的壓力從而造成能量的浪費。同時水泵是工頻率啟 動，且啟動頻繁，又會造成一定的能耗。而變頻恒壓供水在系統用水量下降時可無級調節水泵轉速，使供水壓力與系統所需水壓大致相等，這樣就節省了許多電能，同時變頻器對水泵采用軟啟動，啟動時沖擊電流很小，啟動能耗比較小。另外氣壓罐要消耗一定的鋼量，這也是它的一個較大的缺點。而變頻調速供水系統的變頻器是一臺由微機控制的電氣設備，不存在消耗多少鋼材的問題。同時由于氣壓罐體積大，占地面積一般為幾十平米。而變頻調速式中的調速裝置占地面積僅為幾平米。由此可見變頻調速供水方式比氣壓罐供水方式將節省大量占地面積。在運行效果上，氣壓罐 方式與調速式相比也存在著一定差距。氣壓罐方式的運行不穩定，突出表現在它的頻繁啟動。由于氣壓罐的調節容量僅占其總容積的 1/31/6，因而每個罐的調節能力很小，只得依靠頻繁的啟動來保證供水，這樣將產生較大的噪聲，同時由于啟動過于頻繁，壓力不穩，加之硬啟動，電氣和機械沖擊較大，設備損壞很快。變頻調速式的運行十分穩定可靠，沒有頻繁的啟動現象，加之啟動方式為軟啟動，設備運行十分平穩，避免了電氣、機械沖擊。在小區供水中，而且由于調速式是經水泵加壓后直接送往用戶的，防止了的水質二次污染，保證了飲用水水質可靠。 由此可見 ，變頻調速式供水系統具有節約能源、節省鋼材、節省占地、節省投資、調節能力大、運行穩定可靠的優勢，具有廣闊的應用前景和明顯的經濟效益與社會效益。 湖南科技大學本科生畢業設計（論文） 3 第二 章 調速恒壓供水系統能耗與安全性分析 在供水系統中，用水量處于動態變化過程之中，采取恒速泵供水方式，無法維持管壓恒定，同時也影響設備壽命；若采取閥門控制調節流量來維持管壓，必然造成大量的電能浪費；而且水泵電機直接工頻起動與制動帶來的水錘效應，對管網、閥門等也具有破壞性的影響。基于恒壓、節能及安全性考慮，采取變頻調速恒壓供水方式是一種不錯的選擇。據 統計采用變頻調速技術調節流量實現恒壓供水，可節 2050%，節能效果相當顯著。在討論變頻調速恒壓供水系統節能機理與安全性之前，有必要討論分析供水系統的一些基本概念和特性。 供水系統的基本模型 供水系統的基本模型如圖 所示。 圖 供水系統的基本模型 a)全揚程的概念 b)基本模型 圖中 ： 0L —— 水泵中心位置； 0h —— 吸水口水位； 1h —— 水平面水位； 2h —— 管摩擦損失 吸入口 水壓 全 揚 程 實 際 揚 程 )(mHB )(mHT 泵 H0 H1 H3 H2 水面 L0 湖南科技大學本科生畢業設計（論文） 4 道最高處水位； 3h —— 在管道高度不受限制的情況下，水泵能夠泵水上揚的最高位置的水位。表明水泵的泵水能力。在真實的管道系統中，這個位置并不存在。只有在 3h 大于管道的實際最高位置的情況下，才能正常水。 主要參數有 ： 1． 流量 Q 單位時間內流過管道內某一截面的水流量，常用單位是 3m /min； 2． 揚程 H 也稱水頭，是供水系統把水從一個位置上揚到另一位置時水位的變化量，數值上等于對應的水位差，常用單位是 m； 3． 實際揚程 BH 供水系統中，實際的最高水位 2h 與最低水位 1h 之間的水位差，即供水系統實際提高的水位。即 ： BH = 2h 1h ； 4． 全揚程 TH 水泵能夠泵水上揚的最高水位 3h 與吸入口的水位 0h 之間的水位差。全揚程的大小說明了水泵的泵水能力。即 ： TH = 3h 0h ； 5． 損失揚程 LH 全揚程與實際揚程之差，即為損失揚程。 BH , TH , LH 之間的關系是 ： TH = BH + LH 。 供水系統為了保證供水，其全揚程必須大于實際揚程，這多余的揚程一方面用于提高及控制水的流速，另一方面 用于抵償各部分管道內的摩擦損失 ； 6． 管阻 R 閥門和管道系統對水流的阻力和閥門開度、流量大小、管道系統等多種因素有關，難以定量計算，常用揚程與流量間的關系曲線來描述 ； 7． 壓力 P 表明供水系統中某個位置水壓大小的物理量。其大小在靜態時主要取決于管路的結構和所處的位置，而在動態情況下，則還與流量與揚程之間的平衡情況有關。 供水系統的特性曲線和工作點 供水系統的參數表明了供水的性能。但各參數之間不是靜止孤立的， 相互間存在一定的內在聯系和變化規律。這種聯系和變化規律可用供水系統的特性曲線直觀地反映，主要有揚程特性曲線和管組特性曲線，如圖 。通過特性曲線圖可以掌握供水系統的性能，確定其工作點。 圖 中 ： EH 0H NH CH EQ NQ O BH ② ① ③ ④ TH A B N 湖南科技大學本科生畢業設計（論文） 5 曲線 ① —— 額定轉速 Nn 時的揚程特性曲線 ； 曲線 ② —— 轉速 1n 時的揚程特性曲線 ； 曲線 ③ —— 閥門開度 100%時的管阻特性曲線 ； 曲線 ④ —— 閥門開度不足 100%時的管阻特性曲線 。 圖 供水系統特性 曲線 1． 揚程特性 以管路中的閥門開度不改變為前提，即截面積不變，水泵在某一轉速下，全揚程與流量間 的關系曲線 )(QfHT ? ，稱為揚程特性曲線。不同轉速下，揚程特性曲線不同，圖 中的曲線 ① 、 ② 分別對應于轉速 Nn 、 1n ，且 Nn ＞ 1n 。 曲線表明轉速一定時，用水量增大，即流量增大，管道中的管阻損耗也就越大，供水系統的全揚程就越小，反映用戶的用水需求狀況對全揚程的影響的。在這里，流量的大小取決于用戶，是用水流量，用 UQ 表示。 用水量一定時，即 UQ 不變，轉速越低，水泵的供水能力越低，供水系統的全揚程就越小。 2． 管阻特性 以水泵的轉速不改變為前提，閥門在某一開度下，全揚程與流量間的關系曲線)(QfHT ? ，稱為管阻特性曲線。不同閥門開度，管阻特性曲線不同，圖 中的曲線③ 對應閥門開度大于曲線 ④ 對應的閥門開度。 管阻特性表明由閥門開度來控制供水能力的特性曲線。此時轉速一定，表明水泵供水能力不變，流量的大小取決于閥門的開度，即管阻的大小，是由供水側來決定的，故管阻特性的流量可以認為是供水流量，用 GQ 表示。 在實際的供水管道中，流量具有連續性，并不存在供水流量與用水流量的差別。這里的 GQ 和 UQ 是為了便于說明供水能力和用水需求之間的平衡關系而假設的量。 當供水流量 GQ 接近于 0 時，所需的揚程等于實際揚程（ BT HH ? ） 。表明了如果全揚程小于實際揚程的話，將不能供水。因此，實際揚程也就是能夠供水的基本揚程。 3． 供水系統的工作點 揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統的工作點。在這一點，供水系湖南科技大學本科生畢業設計（論文） 6 統既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性。供水系統處于平衡狀態，系統穩定運行。 圖 中的 N 點表示水泵工作于額定轉速，閥門開度為 100%時的供水狀態，為系統的額定工作點。 4． 供水功率 供水系統向用戶供水時所消耗的功率 GP （ kW)稱為供水功率，供水功率與流量和揚程的乘積成正比 QHCP rPG ? （ ） 式中 PC 一一比例常數。 供水系統中恒壓實現方式 對供水系統進行的控制，歸根結底是為了滿足用 戶對流量的需求。所以，流量是供水系統的基本控制對象。而流量的大小又取決于揚程，而揚程難以進行具體測量和控制。考慮到動態情況下，管道中水壓的大小是揚程大小的反映，而揚程與供水能力 (由流量GQ 表示 )和用水需求 (由用水流量 UQ 表示 )之間的平衡情況有關。 若供水能力 GQ ＜用水需求 UQ ，則壓力 P 下降； 若供水 能力 GQ = 用水需求 UQ ，則壓力 P 不變。 若供水能力 GQ ＞用水需求 UQ ，則壓力 P 上升； 可見 ，流體壓力 P 的變化反映了供水能力與用水需求 UQ 之間的矛盾。從而，選擇壓力控制 來調節管道流量大小。這說明，通過恒壓供水就能保證供水能力和用水流量處于平衡狀態，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量。 異步電動機調速方法 通過轉速控制法實現恒壓供水，需要調節水泵的轉速。水泵通過聯軸器由三相異步電動機來拖動，因此水泵轉速的調節，實質就是需要調節異步電動機的轉速。由三相異步電動機的 )1(60)1(1 sp fsnn ???? () 由式（ ） 可知 調速方法有變極調速、變轉差調速和變頻調速。 湖南科技大學本科生畢業設計（論文） 7 1． 變極調速 在電源頻率一定的情況下，改變電動機的磁極對數，實現電機轉速的改變。磁極對數的改變通過改變電機定子繞組的接線方式來實現。這種調速方式只適用于專門的變極電機，而且是有極調速，級差大，不適用于供水系統中轉速的連續調節。 2． 變轉差調速 通過改變電動機的轉差率實現電機轉速的改變。 三相異步電動機的轉子銅損耗為 emCu sPrIP ?? 39。2239。22 3 () 該損耗和電機的轉差率成正比，又稱為轉 差功率，以電阻發熱方式消耗。電動機工作在額定狀態時，轉差率 s 很小，相應的轉子銅損耗小，電機效率高。但在供水系統中由轉速控制法實現恒壓供水時，為適應流量的變化，電機一般難以工作于額定狀態，其轉速值往往遠低于額定轉速，此時的轉差率 s 增大，轉差功率增大，電機運行效率降低。雖然變轉差調速中的串級調速法能將增加部份的轉差功率通過整流、逆變裝置回饋給電網，但其功率因數較低，低速時過載能力低，還需一臺與電動機相匹配的變壓器，成本高，且 增加了中間環節的電能損耗。 因此變轉差調速方法不適用于恒壓供水系統中的轉速控制法。 3． 變頻調速 通過調節電動機的電源頻率來實現電機轉速的調節方式。 這種調速方式需要專用的變頻裝置，即變頻器。最常用的變頻器采取的是變壓變頻方式的，簡稱為 VVVF (Variable Voltage Variable Frequency)。在改變輸出頻率的同時也改變輸出電壓，以保證電機磁通基本不變，其關系為 11fu = 常數 式中 1u 一一變頻器 輸出電壓， 1f 一一變頻器輸出頻率。 變頻調速方式時，電動機的機械特性表達式 ])()[(2/239。2139。21139。2211xxsrrfsrpUmT????? （ ） 湖南科技大學本科生畢業設計（論文） 8 式中 1m 一一電機相數 ； 1r 一一定子電阻 ； 1x 一一定子漏電抗 ； 39。2x 一一轉子漏電抗折算值 。 頻率 1f 從額定值 Nf 往下調時， 電機機械特性變化情況如圖 。 圖 中 Nf ＞ 1f ＞ 2f ＞ 3f ＞ 4f 。 變頻調速過程的特點： 靜差率小，調速范圍大，調速平滑性好，而且，很關鍵的一點是調速過程中，其轉差率不變。電機的運行效率高，適合于恒壓供 水方式中的轉速控制法。因此恒壓供水系統中采取變頻調速方式可以獲得優良的運行特性和明顯的節能效果。 圖 變頻調速機械特性 變頻器選型 變頻器的選擇包括變頻器的型式選擇、容量選擇和變頻器箱體結構的選擇三個方面。其總的原則是首先保證可靠地滿足工藝要求，再盡可能節省資金。 變頻器的型式選擇 根據控制功能可將通用變頻器分為三種類 :普通功能型 U/F控制變頻器、具有轉矩控制功能的高性能 U/F控制變頻器和 矢量控制高性能型變頻器。變頻器類型的選擇要根 據負載的要求進行。對于風機，泵類等平方轉矩，低速負載轉矩較小，通常可選擇普通功能型的變頻器。在變頻器選型前應掌握傳動系統的以下參數 : （ 1）電動機的極數。一般電動機極數以不多于 4極為宜，否則變頻器容量要適當加大； （ 2）轉矩特性。在同等電動機功率情況下，相對于高過載轉矩模式，變頻器規格n T 1f 2f 3f 4f Nf 湖南科技大學本科生畢業設計（論文） 9 可以降額選取； （ 3）電磁兼容性。為減少主電源千擾，使用時可在中間或變頻器輸入電路中增加電抗器，或安裝前置隔離變壓器。一般當電動機與變頻器距離超過 50m時，應在它們中間串入電抗器、濾波器或采用屏蔽防護電纜。 變頻器的選型應滿足 以下條件 :