變頻調速氣壓給水設備的制作方法

專利名稱：變頻調速氣壓給水設備的制作方法
技術領域：
本實用新型專利涉及一種對水泵電機實施變頻調速的小型化氣壓給水設備。
80年代中期，我國出現了對水泵電機采取變頻調速的自動化水泵站，即所謂變頻式恒壓給水設備，本文簡稱BPS設備。例如，中國自動化技術公司的CAM系列設備，北京市德茂供水設備廠的BTH型設備(專利申請號89220031.6)等。它們都是采用工業上常用的變頻調速器(VVVF)、PID控制器以及壓力變送器這三個部件，對驅動水泵的交流電動機實施變頻調節，自動改變水泵的給水流量。與普通三泵制水泵站相比較，每日可節省10～15％電能；比高位水箱投資省、占地面積小，施工同期短，水質不易受污染。
然而，絕大多數離心泵的外特性都具有駝峰點，即水泵最高揚程Hm點(見圖4中的Dcm、Dot)的流量Qn＞Qot＞0。當水泵的轉速下降到工頻轉速n0的約80％時，在這個駝峰點左邊的Q≤Qot區域，這種變頻調速方法再不能調節流量。這就是BPS設備的盲區。因此，這種設備不太適用于夜間微量供水或需要長期維持管網水壓的場合(如消防給水管)。此外，水泵電機屬于大慣性環節，只宜慢速改變轉速。因此，在變頻泵上并聯或斷開恒速泵，給水流量以雙倍躍變時，或者加快給水閥門的開、關速度(如，消防)時，這種設備將發生相當嚴重的超壓和水錘現象，甚至造成管網破裂。在這種場合，BPS設備根本談不上恒壓供水。
為了解決這些矛盾，許多廠家都把變頻調速水泵為主系統，再增加一個由補助小泵和氣壓水罐構成的付系統，以此減輕超壓和水錘并在微量用水期間關掉主系統。但是，這樣以來，與一般的氣壓給水設備一樣，當減小氣壓水罐容積時，加大給水壓力的變化，提高補助小泵的啟、停頻率，對上述超壓和水錘起不了多大作用，嚴重影響系統的可靠性和工作壽命。反之，倘若加大氣壓水罐容積，勢必提高設備的成本。
根據以上情況，本實用新型專利將提出一種所有主、付系統水泵電機均變頻調速的新型變頻調速式氣壓給水設備，本文簡稱BPQS設備。其目的是在最大限度減小氣壓水罐容積，實現小型化的基礎上，降低補助水泵的工作頻率，防止管網超壓，降低設備成本，提高使用可靠性，進一步減小能耗。還當接到消防信號時，立刻自動提高給水壓力，實施消防用水量的自動調節。從而，一種設備消防、生活兩用，以便建筑樓房時可節省一套給水管道，達到更大經濟效益。
下面結合


圖1～圖4，具體介紹本實用新型給水設備。
圖1是BPQS設備的工藝流程。
圖2是付控制器(FK)的電路。
圖3是BPQS主系統的調節特性。
圖4是BPQS付系統的調節特性。
本實用新型給水設備，由主、付、電控三個分系統組成，見
圖1。
1.主水泵的大流量給水系統，簡稱主系統。它和現今國內外BPS設備的主系統有所不同。在吸水管1和給水管5之間并聯B1、B2、B3三臺主水泵。它們均采用立式多級水泵。改變水泵的級數m8滿足不同給水高度。每臺水泵的進出口均設置閘閥2和4，在水泵出口與閘閥4之間裝有止回閥3，防止水倒流。吸水管1的一頭與貯水池18聯接，另一頭通過安全閥8和回流管7與給水管5連接。一旦出現超壓時打開安全閥8，把壓力水泄回到吸水管1，防止水管破裂。目前工業上使用的安全閥靈敏度較差，為了提高靈敏度，減小超壓值，在安全閥入口法蘭上裝有限流孔板9。出水管5的一頭與小型氣壓給水設備連接，另一頭通過給水總閥6與給水管網12相聯。檢測給水壓力的主系統壓力變送器YB8裝在QS罐頂部。
2.小型化的小流量氣壓給水系統，簡稱付系統。主要由補助泵B0和氣壓水罐QS組成。在B0泵入口通過閘閥10與吸水管連接，出口裝有付系統壓力變送器YB0并通過調節閥11與QS罐內的補氣罐BQ連接。在補氣罐頂部的導管最高處設有吸氣閥15和空氣過濾器16，并經過止回閥13，吸入的空氣壓入QS罐補氣。在QS罐下部裝置水位控制器SW，當水位下降到限定水位時，接通頂部的電磁閥DF，排出罐內多余氣體。在QS罐頂部還設有壓力控制器YK和主系統壓力變送器YB2。
3.BPQS設備的變頻控制系統，簡稱電控系統。如同一般的變頻調速式水泵站一樣，它由變頻調速器VVVF和PID控制器以及7個交流接觸器CJ等組成，其中CJ0～CJ3四個接觸器用來已經VVVF變頻的電源分別傳輸給B0～B3水泵的電機使它們變頻調速，其余CJR～CJC三個交流接觸器用來不經過變頻的工頻電源直接傳輸于主水泵電機B1～B3使它們分別在工頻轉速下恒速工作。除此之外，BPQS系統電控部分的最大特征是在壓力變送器YB0、YB1與PID間有付控制器FK。它協助PID主控制器，對付系統實施工作轉換與變頻操作。
下面結合圖2，進一步介紹FK的電路。它由K9、K1、KX、KQ五個繼電器和RQ、RK兩個電位器組成。為了防止這些繼電器對壓力變送器YB0、YB8的信號干擾，每個繼電器上又并聯了阻容器件RC。接通K0和K1的信號S0、S1由PID發出，而接通KX的信號S％由外部消防系統給的。此外，付控制器又把壓力變送器YB0、YB8檢測的壓力信號UP0、UP8，改變成U8、UQ、U％三檔輸入到PID控制器。
下面介紹這些繼電器和元件之間的觸點關系。K0、K1、K％繼電器的常開觸點K0－2、K1－2、K％－2分別接通CJ0、CJ1和RX電位器的電路，而它們的常閉觸點K0－1、K1－1、K％－1串聯在一起接通繼電器KQ電路，另一個常閉觸點KX－3接通YBS的電路。因此當S0＝S1＝SX＝0(切斷三個信號)時，通過這些常閉觸點接通KQ和YB8。這時，KQ繼電器的三個常開觸點閉合，其中KQ－1用來自鎖，KQ－2接通壓力控制器YK電路，KQ－5接通壓力變送器YB0與電位器RQ的電路，而其常閉觸點KQ－3和KQ－4分別切斷CJ0和YB3的電路，以此完成主、付系統的工作轉換。
下面，結合圖3、圖4，簡述BPQS設備的工作原理。在此之前，首先說明這兩個圖中各種曲線和符號的物理意義。
n0、n1、2n1、3n1－各水泵的工頻轉速或其單級外特性曲線；not、n1t、nok等－水泵各相關點轉速或其單級低速特性曲線；Zb、Z1、Z1等－當時用水量相對應的給水管網阻力系數；HJ＋Z1Q2－當時用水量相對應的給水管網特性曲線；S1Q2－水泵停泵點的等效曲線；HJ－拆算到水泵單級上的最大給水高度，m；H1－各工況點的單級揚程；Q1－各工況點流量；D1－各工況點符號。
BPQS設備的工作過程，可按如下四種工作狀態概括。
1.主系統的變頻調速，大流量供水狀態，簡稱主BP狀態。
當用水流量Q大于B1水泵的最低流量，如Q≈Q1f時，管網阻力系數Z＝Z1f，B1水泵的工況點處于n1t特性和HJ＋Z1fQ2特性這兩條曲線的交點D1f點。這時，壓力變送器YB8檢測的S1f點揚程H1f低于PID控制器內設定揚程H8(即H1f＜H9)。因此，PID指令變頻調速器VVVF增頻，加速B1泵，加大流量，直到D1f點沿HJ＋Z1fQ2曲線上升到H8水平線為止。當用水流量增加到Q＝Q1時，B1泵的轉速已達到工頻最高轉速n1，PID發出S1＝0(切斷)、SR＝S2＝1(接通)信號，切斷交流接觸器CJ1，接通CJR和CJ2。這時，工頻電源經CJ8直接通入B1泵使它以工頻恒速供水Q1，而B2水泵經CJ2得到VVVF變頻的電源，從此進入變頻調速狀態。以此類推，給水流量可自動增加到三個主水泵的最大流量之和，即
＝3Q1。
反之，如從用水流Q＝Q8的工況點D2上，管阻系數加大到Z2f時，B2泵的工況點上升到D2f點，YB3檢測的揚程H2f＞H2，PID指令VVVF減頻減速，減小B2泵流量，直到D2f點沿HJ＋Z2fQ2曲線下降到H8水平線為止。當用水流量減小到Q＝Q1時，B2泵電機的頻率已下降到VVVF內限定的下限值。這時PID發出S1＝1，S8＝S2＝0信號，切斷CJR、CJ2，接通CJ1接觸器。從而停B2泵，把B1泵從恒速工作狀態轉變到BP狀態。
在以上的自動調節過程中，如果管阻系數的變化速率dz1／dt低于VVVF的變頻速度df／dt，則給水管5的水壓P在PID內設定壓力PS附近略微變化，可看作恒壓供水狀態。這時P≈P3＝0.01mSHS，MPa (1)式中，mS－主水泵的級數。與此相反，當(dz1／dt)＞(df／dt)，如，用戶的各家幾乎同時關閉水龍頭，則給水管5內發生相當嚴重的超壓現象。但是，當壓力P上升到安全閥8的開啟壓力PX(≈P8＋0.05)時，給水管5內的超壓水沖開安全閥泄回到吸水管1，防止管網壓力繼續上升。在上述過程中，安全閥前邊的限流孔9的下游壓力P2又迅速下降到該安全閥的回座壓力Ph(≈P8－0.03)，安全閥重新關閉，防止給水壓力過低。因此，依靠限流孔9，提高了安全閥的靈敏度。但是，當提高安全閥8的靈敏度時，給水管5內水壓P的變化過程接近脈沖過程，這等于加快了管阻系數的變化速率，給VVVF造成很不利的負荷沖擊。為此，把主系統的壓力變送器YB8裝設在付系統QS罐頂部。這時，由于QS罐氣枕內壓縮空氣的緩沖作用，YBS的檢測壓力信號UPS變成了與脈沖無關的緩變信號，防止了提高安全閥靈敏度之后的一切負作用。
2.付系統的變頻調速，小流量供水狀態，簡稱付BP狀態。
當用水流量進一步下降到Q＝Q1t時(見圖4)，B1水泵的轉速已下降到VVVF限定的最低轉速n1t，PID發出S1＝0、S0＝1信號。這時，付控制器FK內，繼電器K1斷電，斷開觸點K1－2，切斷CJ1電路，B1泵停止工作。與此同時，接通K0，閉合觸點K0－2，把220伏控制信號SQ經KQ－3輸入CJ0接觸器，給B9泵提供VVVF變頻的電源使該泵進入付BP狀態，按主水泵變頻調速原理自動調節流量。一般情況下，補助泵B0的規格和外特性與主水泵不同，所以在PID內設定的給水壓力P3對B8泵的單級揚程為H0＝mS·H8／m0，m (2)式中，m0為B0泵的級數。
如果取消主水泵B3和接觸器CJ3，連通CJ0和CJC電路，則付系統的B0泵可當作主水泵使用。然后，減少主水泵臺數的方法，可滿足給水流量小于50m3／h的不同用戶之要求。
3.付系統氣壓給水罐QS的微量供水狀態，簡稱QS狀態。
當補助泵B0的轉速隨著用水量進一步下降到VVVF的限定轉速not時，PID發出S0＝0信號。這時在FK內，繼電器K0斷電，斷開觸點K0－2，閉合常閉觸點K0－1使AC220伏控制信號SQ經K0－1、K1－1、KX－1輸入繼電器KQ。于是發生如下轉換過程。首先，閉合KQ－1自鎖；閉合KQ－2，接通壓力控制器YK，對B9泵的開、停權由PID轉交給YK；斷開觸點KQ－4，閉合KQ－5，切斷壓力變送器YBS，接通YB0電路，這時，PID接受的檢測壓力信號為UQ＝RQUPO／R0＜US，伏 (3)式中，RQ、R0為電位器RQ的分壓電阻和總電阻，UP0為YB0的檢測壓力信號。因此，倘若UQ＝US，則YB0的檢測壓力POS必須提高到POS＝R0PS／RQ＞PS，MPa (4)與這個壓力相對應的B0泵單級設定揚程HOS＝100POS／m0＞H0，m (5)如果把壓力控制器YK的上限停泵點壓力設定在Pot＝0.01m0H0，即原來付BP狀態的設定壓力時，QS罐壓力還未上升到POS之前，YK切斷CJ0電路使B0泵停止工作。從此，QS罐依靠氣枕壓力把水繼續排入給水管5，這就是付系統的停泵排水過程。在這個過程中補氣罐BQ內的水經B0泵倒流，其內產生負壓，打開吸氣閥15，外界空氣經過濾器16進入該罐內，等待下一次開泵時被壓入QS罐補氣。
當QS罐內水位下降使氣枕VK的壓力下降到YK的下限開泵點DOK的壓力值時，YK接通接觸器CJ0，開B0泵。這時B8泵出口的管阻系數(可用閥門11調節)Z1大于給水管5的系數ZQ。因此，B0泵的出口揚程比QS罐更快速度沿著HJ＋KbQ2曲線上升到設定揚程HOS。從圖4所見，這時B0泵穩定工作點DOS的流量QOS大于QS罐的最大排水流量Qot。因此，QS罐內的水位和壓力繼續在排水情況下逐步回升，這就是QS罐的開泵排水過程。在這個過程的初期，B0泵的水流進入補氣罐BQ時，把其內的空氣經止回閥13壓入QS罐補氣。當QS罐內壓力重又上升到Pot時，重復上述停泵排水過程。如此返復循環過程中，QS罐的最大排水流量QP＝〔 2/3 ＋( (HoK- HJ)/(Hot- HJ) )1.5〕Qot，m3／h (6)式中，HOK、Hot為開泵點DOK和停泵點Dot的單級揚程。當B0泵的流量QOS與這個排水量的相對流差率(QOS－Qp)／Q8≤0.2時，QS罐每小時循環頻率fQ≈Hot+10/mOHot-HOK(1-Hot-HJHOS-HJ×ZbZa)QesaQVQ]]>，次／h(7)式中，VQ為QS罐總容積，aQ＝VK／VQ稱作QS罐氣枕容積系數。
在QS狀態，當加大用水流量時，圖4中的HJ＋ZbQ2和HJ＋ZQQ2曲線均向右傾斜。這時，YK上限停泵點流量Qot′的增長速度更大于B0泵的流量QOS′的變化，當達到Qot′≥QOS′時，QS罐內水位不能再上升，罐內壓力無法上升到停泵點壓力Pot，從而QS狀態的循環排水過程自動結束，B8泵在HOS揚程條件下進入付BP狀態，直到B0泵的轉速達到工頻轉速n8，PID發出S0＝0、S1＝1信號，解除KQ繼電器的自鎖狀態，把系統重新恢復到主BP狀態，開動B1水泵為止。
4.主系統的增壓消防給水狀態。當付控制器FK接受消防信號SX＝1時，接通繼電器K1。這時常閉觸點KX－1首先斷開，切斷KQ把系統恢復到主BP狀態。與此同時，常開觸點K1－2閉合電位器RX和壓力變送器YBS的電路。這時PID接受的YBX檢測壓力信號為 ＝ UPS／R0＜US， 伏 (8)式中，RX－電位器的分壓電阻；UPS－YB8的檢測壓力信號。于是，倘若 ＝US，則YBS的檢測壓力提高到
PX＝R0P3／RX＞PS，MPa (9)因此，改變分壓電阻RX和總電阻R0的比值，可把消防壓力PX提高到所要求的值。這時，主系統在消防壓力PX下進入主BP狀態，并把給水流量自動調節到消火栓等消防器材的用水流量。
從以上的工作過程可見，本實用新型給水設備，除現今變頻式自動水泵站所具有的“恒壓供水”，降低能耗等許多優點之外，還具有如下突出優點。
1.首先，科學的解決了現今氣壓給水系統上普遍存在的氣壓水罐容積VQ與工作頻率fQ之間互成反比的主要矛盾。由發明人提出的公式(7)所見，利用調節閥11適當加大B0泵出口管阻系數Zb，則等式右邊括弧內的兩項之差變為零，從而工作頻率fQ＝0，即∵(1-Hot-HJHos-HJ×ZbZa)=o]]>，fQ＝0因此，調節Zb大小，可同時減小VQ和fQ。本專利按這個理論實現了QS罐的小型化，降低了設備成本，提高了付系統的工作可靠性。例如，按本專利設計的可供50～10000戶用水量的26種BPQS型設備，均采用VQ＝0.5m3小型氣壓水罐，把工作頻率降低到每小時6次以下。這相當于現今氣壓給水設備水罐容積的0.05～0.1倍。
2.在吸水管1和給水管5之間裝置安全閥8，把管網超壓限制在△P＝(PK－PS)≈＋0.05(消防時約＋0.2)MPa之內。又在安全閥入口設置限流孔板9，巧妙的提高了該閥的靈敏度，同時克服了在給水壓力恢復到Ps時因回座壓力Ph＜PS而發生的安全閥漏水現象。這時，限流孔9的流通面積A0與安全閥流通面積A的比值應選取AoA≤πDKps(ps-ph)----(9)]]>式中，D－安全閥的孔徑，mm；K－安全閥彈簧剛度，N／mm。
3.主系統壓力變送器YBS設置在付系統氣壓水罐頂部緩沖的結果，同設置在給水管5上的情況相比較，較徹底解決了該儀表因長期處于高頻振蕩而易損問題以及變頻調速器VVVF經常受壓力脈沖時的瞬時過載問題，而另一個付系統壓力變送器YB0卻設置在補助泵B0出口，快速檢測該處壓力來變頻調速B0泵，減小其流量QOS，進一步降低了QS罐的工作頻率fQ。從而，無論主系統還是付系統均具有較高的工作可靠性。
4.不增加現有PID控制器的接口條件下，采用付控制器FK實現了補助泵B0的變頻調速和從BP狀態到QS狀態的轉換過程。從而壓力控制器YK的上限停泵點壓力Pot可降低到主系統設定壓力PS以下實施QS狀態的降壓調節，防止了付系統工作狀態的管網超壓問題。這又是現今變頻式給水設備上未能解決的第二個防超壓措施。
5.不改變現有PID控制器的硬件和軟件，采用付控制器FK，把給水壓力可設定為P8、PQ、PX三檔，既可在PS壓力下大流量自動供水，又可在PQ壓力下實現低于PS壓力的降壓、微量供水，還當接到消防信號時，立刻把壓力提高到PX，實施增壓消防供水，從而方便了使用，達到了一套設備生活、消防兩用的目的。
因此，本實用新型專利所述的變頻調速式小型化氣壓給水設備，完全可以在所有的使用范圍內可取代目前的氣壓式或變頻式所有給水設備。
實施例BPQS－100－50SX型變頻式氣壓給水設備1.系統的主要參數1)主水泵 3臺50LG24－20×3立式水泵，級數mS＝3；2)補助泵 1臺32LG6.5－15×5立式水泵，級數m0＝5；3)變頻調速器SVF－113；4)氣壓水罐容積 VQ＝0.5m3；5)給水壓力 生活供水，PS＝0.5MPa；消防，PX＝0.6MPa；6)給水高度H＝35m；7)補水泵工作壓力 POS＝0.53MPa；8)壓力控制器YK 上限Pot＝0.5MPa；下限POK＝0.38MPa；2.試驗結果No參數單位設計值實測值1) 最大給水流量 m3／h 100 1052) 補水泵給水流量 m3／h 2.6 2.53)主系統壓力變化生活用水時，MPa＋0.05＋0.04消防用水時，MPa＋0.20＋0.244)付系統壓力變化MPa－0.12－0.135) QS罐最大頻率fQ次／h 6.0 5.權利要求1.一種對水泵電機變頻調速的小型化氣壓給水設備，它包括由給水管和吸水管之間并聯幾臺主水泵、閥門的主系統，由補助泵和具有補氣罐、水位控制器、壓力控制器、電磁閥、吸氣閥、空氣過濾器、止回閥等元器件的氣壓水罐所組成的付系統，以及由變頻調速器、PID控制器和幾個交流接觸器等所組成的電控系統，其特征在于在主系統上設有防超壓用安全閥8；在付系統上裝置兩個壓力變送器YB1和YB0；電控系統上設有本設備專用付控制器FK；安全閥8為工業上的通用閥件。在其入水口法蘭上裝有限流孔9并與給水管5連接，其出水口用導管與吸水管1連接，構成當給水管超壓時沖開安全閥8，泄回壓力水的回水管路；在兩個壓力變送器當中，YB1裝設在氣壓水罐QS的頂部與壓力控制器YK并聯，檢測主系統的給水壓力Ps，另一個壓力變送器YB0裝在補助泵B0與調節閥11之間的導管上，檢測B0泵的出水壓力P0s，它們的檢測壓力信號Up3和Up0輸入到付控制器FK，除此之外，FK的輸入信號還有PID控制器發出的S0、S1信號和消防系統給的S1信號，付控制器FK把輸入的壓力信號變換成U2、U0、U1三檔輸出到PID控制器，其余信號變換成控制信號SQ分別傳送到壓力控制器YK、B0泵交流接觸器CJ0和主水泵B1的交流接觸器CJ1，付控制器FK由五個繼電器K6、K1、K2、K0(兩個)和兩個電位器RQ、R1以及防干擾用RC電路組成，從PID輸入的S0、S1信號和消防信號S1分別接通繼電器K0、K1、K2，切斷它們時接通繼電器KQ，這些繼電器的觸點關系是K6、K1、K2的常閉觸點K0-1、K1-1、K2-1串聯在一起切斷繼電器KQ電路，而K1繼電器的另一個常閉觸點K1-2切斷PID與YB1之間的聯系，繼電器K1、K0的常開觸點K1-2、K0-2分別接通交流接觸器CJ1和CJ0，而K1的常開觸點K1-2接通電位器R1與主系統壓力變送器YB1之間電路，使YB2的檢測壓力信號Ups經電位器R1降壓到U1后輸入于PID，繼電器K0有兩個常閉觸點K0-3、K0-4和三個常開觸點K0-1、K0-2、K0-5共五個。K0-3用來切斷CJ0電路，K0-4用來切斷UP8信號，而常開觸點K0-1用來自鎖K0，K0-2接通YK電路，K0-5接通電位器R0與壓力變送器YB0之間的電路使YB0的檢測壓力信號Up0經R0減壓到U0后傳送給PID。
2.權利要求1中所述給水設備，其特征在于限流孔9和安全閥8的流通面積的比值，按本發明的理論公式(9)計算。
3.權利要求1中所述給水設備，其特征在于利用調節閥11，改變補助泵B0的出口管阻止系數Zb之方法可調節氣壓水罐QS和B0泵的工作頻率fQ。
專利摘要本實用新型專利涉及一種對水泵電機變頻調速的小型化氣壓給水設備。除現今氣壓式或變頻式給水設備所具有的主要部件之外，還設有防超壓裝置和專用副控制器。同國內外氣壓式或變頻式給水設備相比較，具有氣壓水罐容積小，工作頻率低，防止給水管網超壓，節約電能和設備成本，系統可靠性高，生活、消防兩用等許多優點。
文檔編號E03B11/00GK2090394SQ9120153
公開日1991年12月11日 申請日期1991年1月31日 優先權日1991年1月31日
發明者樸龍奎 申請人:樸龍奎