CN203808157U - 随流变压供水节能系统 - Google Patents

Abstract

随流变压供水节能系统，包括有若干台水泵的水泵机组和与水泵机组相连的进水、出水管网，在输出的主管路中，安装有流量传感器和压力传感器，流量传感器和压力传感器分别通过模数转换器、数据线和计算机控制器相连，计算机控制器通过数模转换器和变频调速器相连，变频调速器和一台变速水泵相连，计算机控制器还通过交流接触器和水泵机组中其它的不变速水泵相连。本实用新型在恒压节能供水的基础上进一步研究解决了剩下的节能空间，提出了一种随流变压供水节能系统，对降低自来水生产成本，提供经济效益和缓解电能供需矛盾都有重大意义。

Description

随流变压供水节能系统

技术领域

本实用新型应用于自来水生产使用，即一种随流变压供水节能系统。

背景技术

能源是发展国民经济，提高和改善人民生活水平的重要物质基础。节约能源，降生产时的能耗，即节能降耗成为当今时代的关键词，单位GDP能耗，是各项工程技术的重要指标之一。

电机系统电能消耗中，泵类用电量比例较大，约占总量的 20％，城镇供水系统是泵用电量的重要领域。而电力消耗是自来水生产的主要成本之一。因此除清洁水源等其它重要指标外，通过技术改造，不断降低自来水能源消耗成本是自来水生产企业发展的必然趋势。

传统供水模式有如下两种：

一、非节能供水模式：

这种供水方式，电机在启动过程，除采用星三角降压过渡启动外，运行过程中始终按额定转速运转，水泵按固有的H—Q特性曲线运行。而居民用水量是随时间变化波动的，低谷流量急剧下降，用户端压力升高，超过管网用水实际需要的压力，造成超杨程压力耗损电力浪费。

如图1所示，曲线1是水泵出厂时测定的H—Q曲线，曲线2是管网的固定特定曲线，从图1中可以看出，工况点沿                                                C1 、C2之间的变化，但由于水泵的特性曲线影响沿水泵H—Q曲线AO、A1、A2 之间变化。用户端压力在变化过程中从C1 升到A1， 最少流量时从C2升到A2，造成近40％超压头能量损失。

二、变频调速恒压节能供水模式：

上世纪90年代中叶，我国变频调速技术，经进口应用，引进消化吸收，到自主开发批量生产，变频调速技术变为成熟。因而变频调速恒压节能供水，在国内得到广泛应用。

变频调速的基本原理是水泵流量和转速成正比，水泵的扬程和转速的平方成正比，水泵轴功率和转速的立方成正比。用户用水量发生变化时转速随之变化，降低扬程，减少超压头电能耗损浪费。

        Q/Q1=n/n1         (1-1)

 H/H1=(n/n1)²          (1-2)     

N/N1=(n/n1)³                (1-3)

式中： n和n1为改变前后的转速（HZ），Q和Q1为改变前后的流量（M3／h），H和H1为改变前后的扬程（M），N和N1为改变前后的功率（KW）。

变频调速恒压供水工况点随流量变化已经不随水泵固有的H－Q曲线变化限制，此时，水泵H－Q曲线不是一条固定的曲线而是随转速变化的曲线族，如图2中所示曲线族从曲线3变化到曲线5，工况点不是沿H—Q曲线变化，而是沿一条直线6，即恒压线，从A₀变化到A₄。

变频调速恒压供水，从图2中所示可知，恒压线以上，从恒压线到水泵H—Q曲线3之间压头损失消除了，节约了因压头损失的用电量20％，但还有恒压线到管网特性曲线之间的压头损失依然存在，还有近20％的节能空间。

发明内容

从背景技术分析中可知，变频调速恒压节能供水，虽能降低部分能耗，但受恒压线限制，相对非节能供水模式还有近用电量20％的节能空间。全国用于自来水的耗电总量，应当是数量巨大，但在恒压节能供水的基础上进一步研究解决剩下的节能空间，其节能降耗，降低自来水生产成本，提供经济效益和缓解电能供需矛盾都有重大意义。为此，本实用新型提出了一种随流变压供水节能系统的技术方案。

这种随流变压供水节能系统的设计方法是：

一、建立适应管网特性曲线的数学模型，使工况点按照管网特性曲线运动，消除因流量变小过程中用户压力升高的压头损失；

二、设计和制作专用随流变频调速的计算机控制系统，实现PID调节，通过变频调节水泵机组中的一台水泵的转速，使水泵机组的工况点能随时适应管网特性；建立随流变压的主控程序，使工况点完全在管网特性曲线上移动；

三、限流保压，安全生产，创造用户用水的最佳环境，确保供水区最高用水点高峰用水量时的压力，也就是说通过不断的调控，随用水量变化使工况点运动到保证用户安全用水时管网特性曲线的指定位置，使用户用水水压基本恒定；

四、增加供水系统储水能力，低谷水时到达最大储水量，便于用水高峰时调节。

工作原理：

随流变频调速的基本原理，就是通过因变频调速产生一族H— Q水泵特性曲线，水泵特性曲线如图3中曲线族中的曲线8、9、10和管网特性曲线11于A₀、C₅、C₆相交，其工况点随流量变化，工作点沿管网特性曲线运动，基本消除了流量变化过程中，用户压力升高的压头损失，达到节能目的；这是单泵控制的原理，实际自来水生产都是多台泵并联工作的，下面运用三台泵并联说明多台泵并联工作原理，图5b的三台中两台泵P₁、P₂工作在工频状态，而另一台P₀工作在变频调速状态中。图5a的曲线18是单台变频泵H—Q曲线和管网特性曲线交于B₂点，对应的流量为Q₁点，当两台工频泵同时启动时H—Q曲线变为曲线17，和管网特性曲线相交于B₁点，流量上升到Q₄，压力上升到，这是因为流量增大、流速加快、压力上升，当变频调速泵启动后，变速到B₀点，对应的总水流为Q₅点，当调速泵速度上升50HZ时，对应最大电流为Q_max,对应的H-Q曲线为曲线19，和管网特性曲线交于A₀点。

在图5a中，调节变频水泵P₀的速度工况点在管网特性曲线上B₀至B₁之间运动，当流量变小变频泵转速下至零还不能满足管网特性要求时，停一台工频泵，直到剩下变频泵单独工作为止，这时变频泵要控制压力在最小允许压力允许值，当流量增加变频泵转速到50HZ时增加一台工频泵，直到整个泵都投入运行为止，但变速泵要限制水流量控制在最大流量允许值。

这种随流变压供水节能系统，包括有若干台水泵的水泵机组和与水泵机组相连的进水、出水管网，其特征在于，在输出的主管路中，安装有流量传感器和压力传感器，流量传感器和压力传感器分别通过模数转换器、数据线和计算机控制器相连，计算机控制器通过数模转换器和变频调速器相连，变频调速器和一台变速水泵相连，计算机控制器还通过交流接触器和水泵机组中其它的不变速水泵相连。

为了计算的方便，可优选的，水泵机组中共有三台水泵，其中一台为和变频调速器相连的变速水泵，两台通过交流接触器和计算机控制器相连，为不变速水泵。

为了计算的方便，可优选的，水泵机组中的所有水泵的结构和尺寸相同。

为了计算的方便，可优选的，水泵机组中的所有不变速水泵的结构和尺寸相同。

工作过程，如图6中所示：

（a）数据采取和传感器检测：由水流量传感器和压力传感器分别检测流量和压力大小；

（b）数模转换，通过模数转换器分别把流量和压力信号通过数据线传送给计算机控制器；

（c）计算机控制器接受到数据计算分析判断后，发出数字信号和程序控制信号，数字信号由数据线传送给数模转换器，产生模拟信号到变频调速器，指挥变速水泵运行在变频状态，其它工频水泵运行的数量和台别；指挥那些泵停止，那些泵运行，一般执行先启动的泵先停止，先停止的泵先启动的原则，每个循环过程中，保证每台水泵运行一次，防止水泵停运过久生锈；通过一台水泵的调速和其他水泵的开、停，找到水泵机组适应管网系统的工况点，使工况点在管网特性曲线上运动。

本实用新型在恒压节能供水的基础上进一步研究解决了剩下的节能空间，提出了一种随流变压供水节能系统，对降低自来水生产成本，提供经济效益和缓解电能供需矛盾都有重大意义。

附图说明

图1是非节能供水的工作状况图

图2是变频调速恒压节能供水的工作状况图

图3是变频调速随流量变压节能供水的工作状况图

图4是在供水流量相当大时的工作状况图

图5a是三台泵工作状况图

图5b是三台泵设备配置图

图6是三台泵程序控制框图

图7是微机控制随流变压变频调速节能供水装置硬件系统图

图8是水泵工作示意图

图9是管网特性曲线数学模型推导建立的原理图

图中各种物理量说明：

图1中物理量说明：Q_mix用户最小用水量，它对应扬程：H_max ，Q_x用户变化中用水量对应扬程H_x，Q_max用户最大用水量对应扬程H_mix，H₀表示管网特性在用户最小用水量时需要的扬程，H₁表示管网特性在用户用水量过程中所需要对应的扬程。

图2中物理量说明：Q_mix、Q_x、Q_max、H₀和H₁同图1，H-表示恒压值。

图3中物理量说明： 、Q_x、Q_max、、H_x、H_max物理意义和图1一样，但对应关系发生变化，对应 ，Q_x对应H_x，Q_max对应H_max。

图4中物理量说明：Q₀、Q₁、Q₂是限流保压过程中水阀不同的开启量对应的流量，H₀、H₁、H₂是分别对应的扬程。

图5（a和b）中物理量说明：Q₁是单台工频泵运行（P₁或P₂）时的流量，Q₄是两台泵同时运行时的流量，Q₅是三台泵同时运行（P₀为变速运行）的流量，Q_max三台泵同时运行（P₀为最高转速50HZ）的最大流量，分别对应的扬程是H₀₀、H₀₁、H₀₂、H₀₃。

图7中主要设备说明：QJ，流量传感器；PJ，压力传感器；A/D，模数转换器；D/A，数模转换器；KM，交流接触器；PC,微型计算机控制器；P17800，变频调速器；P₀、变速水泵；P₁、P₂不变速水泵。

图8是水泵工作示意图，图9是水泵H-Q曲线（1）和管网曲线（2）图7和图8是建立管网特性曲线的数学模型原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图，用三台泵的实施例对本实用新型详细说明如下：

图1是非节能供水的工作状况图，曲线1为是泵，H—Q特性曲线，曲线2为管网特性曲线，按照管网特性需求工况点只需由工作点A₀，，沿曲线2运动。但由于水泵特性H-Q曲线限制，只能由工作点A₂沿水泵H-Q特性曲线（即曲线1上）运动，造成流量在变化过程中，从H_X到H₁和流量到最小值时造成Hmax到H₀之间超用户扬程运行。功率浪费为二个曲边三角形(O、A₂, A₀ 、O)面积，为耗电总量的40％.

图2是变频调速恒压节能供水的工作状况图，直线6为恒压线，这种控制系统，系统压力不随流量变化而变化，而始终为恒压一个定值，其工作点只能随流量变化而平移，如图中的A₀ 、A₃ 、A₄，从图1和图2中看到压力损失在流量变化过程中从A₁到A₃和最小流量时A₂到A₄已经消除了，但从A₃到C₃ ，A₄到C₄扬程损失依然存在，功率浪费A₀ 、A₄ 、A₂曲边三角形面积值消失了，但曲边三角形依然存在。图中为一族随转速变化的水泵H—Q特性曲线。

图3是变频调速随流量变压供水的工作状况图，这时水泵通过变频调速产生系列的水泵H—Q曲线如图三中转速的n₀、n₄、n₅分别对应H—Q曲线8、9、10和管网特性曲线条分别交于使工况点完全沿管网特性曲线11运动，压头损失和功率浪费完全消除，相对于非节能供水节约在40％，相对于恒压供水节约20％.

图4是在供水流量相当大、夏天炎热等高峰用水时，并且系统水泵全部投入运行且和调速泵也调到50HZ时，压力仍不能满足用户要求，通过调节减少水泵出口阀门开启量，使供水压力上升，满足用户要求。

图5是三台泵工作原理图，在工作原理中已经说明。

图6是三台泵程序控制框图，在工作过程中已经说明。

图7是微机控制随流变压变频调速节能供水装置硬件系统，在实用新型内容中已经说明。

图8和图9是管网特性曲线数学模型推导建立的原理图。

这种随流变压供水节能系统的设计方法，具体实施例的步骤如下：

1、建立管网特性数学模型

图8是建立数学模型的原理图，当液体流过图8中所示的管路输送系统时，已知水泵提供的扬程，在图中截面1—1¹和2－ ²所需要的压头，可用柏努力方程式求得:

在固定的管路系统中，在一定的条件下操作时，上式的为定值

即：

管路系统的压头损失为：

                

又因             

所以             

于是管路所需扬程可写成：

                   

                    

令                        故:

管路特性数学模型为:

                      

在操作过程中，管网构造是比较复杂的，测量和计算难度相当大，但有了标准方程式H＝A＋BQ²后，在最恶劣天气和最难供水点供水正常（保护用水压力）前提下，最小流量时确定A值：在最大流量时确定B值，最终建立数学模型；试运行后，精细调节A和B值，最终找到准确的管网特性曲线；

2、传感器数据采集，在管路中安装流量和压力传感器，并校正精确度；

3、模数转换，计算机数字和模拟量对量的精确调节；

4、原始数据设置；

5、向计算机输入软件程序；

6、试运行，在运行过程中检查发现问题，测试各种技术指标；

7、解决问题并保证达到节能指标，安全可靠运行。

Claims (4)

1.随流变压供水节能系统，包括有若干台水泵的水泵机组和与水泵机组相连的进水、出水管网，其特征在于，在输出的主管路中，安装有流量传感器和压力传感器，流量传感器和压力传感器分别通过模数转换器、数据线和计算机控制器相连，计算机控制器通过数模转换器和变频调速器相连，变频调速器和一台变速水泵相连，计算机控制器还通过交流接触器和水泵机组中其它的不变速水泵相连。

2.根据权利要求1所述的随流变压供水节能系统，其特征在于，水泵机组中共有三台水泵，其中一台为和变频调速器相连的变速水泵，两台通过交流接触器和计算机控制器相连，为不变速水泵。

3.根据权利要求1或2所述的随流变压供水节能系统，其特征在于，水泵机组中的所有水泵的结构和尺寸相同。

4.根据权利要求1或 2所述的随流变压供水节能系统，其特征在于，水泵机组中的所有不变速水泵的结构和尺寸相同。