一、前言
   水是人类最宝贵的资源，是人类生存的基本条件，又是国民经济的生命线，水工业是以城市及工业为对象，以水质为中心，从事水资源的可持续开发利用，以满足社会经济可持续发展的所需求水量作为生产目标的特殊工业。在水的开采、加工、输送利用过程中，供水设备是其必不可少的工具。
二、恒压供水的简介
2．1、供水的现况
我国长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，工业自动化程度低。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命；后者则需要大量的占地与投资。
传统供水系统示意图
2．2、恒压供水原理
   由于用水量是动态的，用水量、供水量没有准确的标准衡量，供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的出水压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力高。保持供水系统中某处的压力的恒定，也就保证了使该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量，这就是恒压供水所要达到的目的。
    在供水自动控制系统工作时，设备通过安装在供水管网上的高灵敏度压力传感器来检测供水管网在用水量变化时的压力变化，不断向节电器传输变化的信号，经过微电脑判断运算并与设定的压力比较后，向水泵发出改变供水量的指令，自动调节峰谷用水量，保证供水管网压力恒定，以满足用户用水的需求。
恒压供水系统示意图
2．3、供水系统的能耗分析
在供水系统中，最根本的控制对象是流量。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。
2.3.1、阀门控制法
主要通过阀门开度调节流量，实际是通过改变管道的阻力来改变流量。阀门调节时，管阻特性随着阀门开度的变化而变化，而水泵恒速运行，因此压力特性并不改变。如下图所示，当流量从qa下降到qb时，稳定工作点由a点移到b点，水泵功率pa与0ebf区域的面积成正比。
2.3.2、转速控制法
是通过改变转速来改变流量。管道一般处于全开状态，如果水泵转速改变，则压力也改变。采用转速调节法时，压力随着转速改变而改变，但管阻特性则保持不变。如下图所示，当流量从qa下降到qb时稳定工作点由a点移到c点，水泵功率pb与0ech区域的面积成正比。
从下图可看出，采用转速调节法比采用阀门调节法节约的功率△ p与hcbf区域的面积成正比。
从流体力学的原理得知，使用感应电机驱动的风机，轴功率p与流量q，压力h的关系为：
当电动机的转速由n1变化到n2时， q、 h、 p与转速的关系如下:
                    =  
由上述推导可以知道，采用转速调节法比采用阀门调节法的节能效果好。
2、4、 使用恒压供水节电器的主要优点
2.4.1、水锤效应的消除
采用了恒压供水节电器后，可以通过对升速时间的预置来延长启动过程，使动态转矩大为减小；在停机过程中，同样可以通过对降速时间的预置来延长停机过程，使动态转矩大为减小，从而彻底消除了水锤效应。
2.4.2、延长水泵寿命与维护费用下降
由于水泵平均转速下降、工作过程中平均转矩减小的原因，使叶片和轴承等设备磨损减轻，维护周期可加长，设备运行寿命延长；并且改造后阀门开度为100％，运行中不承受压力，可显著减少的维护工作量。
2.4.3、节能效益
由于采用恒压供水节电器后，水泵节能效果最明显，节电率可达到15%～45%，这是因为水泵的耗用功率与转速的三次方成比例，当用户需要的平均流量较小时，水泵的转速较低，其节能效果也是十分可观的。而传统的阀门进行流量调节时，耗用功率变化不大。
2.4.4、用采用恒压供水节电器后，可对水泵实现软启动，启动时电流不超过电机额定电流的1.2倍，对电网无任何冲击，电机使用寿命延长。在整个运行范围内，电机可保证运行平稳，损耗减小，温升正常。水泵启动时的噪音和启动电流非常小，无任何异常振动和噪音。
2.4.5、与原来旧系统相比较，恒压供水节电器具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升等多项保护功能，更完善地保护了电机。
综上所述恒压供水节电器的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击由此可见，恒压供水节电器系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。
三、恒压供水节能方案
3.1、恒压供水系统的选择原则
恒压供水系统设计还应遵循以下的原则：
ü         蓄水池容量应大于每小时最大供水量；
ü         水泵扬程应大于实际供水高度；
ü         水泵流量总和应大于实际最大供水量。
ü          设定供水压力经验数据：平方供水压力p=0.12mpa；
楼房供水压力p=（0.08+0.04×楼层数）mpa
3.2、恒压供水节电器控制系统的构成方案
从恒压供水的原理分析可知，该系统主要有压力传感器、节电器、水泵机组以及电源控制电器组成。系统的构成框图如下图所示。
系统构成框图
3.3、恒压供水节电器控制系统的主要元件
3.3.1、节电器的介绍
多年应用经验与先进驱动技术完美结合，应运而生。基于对客户需求的完美理解，延续设计团队对高效节能驱动理念的一贯追求，特质化应 用，pid智能调节，优化性能设计将驱动变得不再繁复。广泛应用于风机、泵类负载及对速度控制精度，转矩晌应速度、低频转矩输出有较高要求的应用场合。详情技术规范见下表：
项目
技术指标
说明
输入
输入电压范围
1ac 220v±15%，3ac 220v±15%，3ac 380v±15%，
输入频率范围
47~63hz
输出
输出电压范围
0～额定电压
输出频率范围
v/f控制：0~3000hz
无pg矢量控制：0~300hz
控制特征
控制方式
v/f控制、无pg矢量控制、转矩控制
运行指令方式
面板控制、端子控制、串行通讯控制
频率给定方式
数字给定、模拟量给定、脉冲频率给定、串行通讯给定、多段速给定及简易plc给定、pid给定等，可以实现给定方式的组合和方式切换
过载能力
g型：150%额定电流60s，180%额定电流10s，200%额定电流3s
p型：120%额定电流60s，150%额定电流10s，180%额定电流3s
启动转矩
0.5hz/150% (svc)，1hz/150% (v/f)
调速范围
1:100 (svc)，1:50(v/f)
速度控制精度
±0.5%（svc）
载波频率
1.0-16.0khz，可根据温度和负载特征自动调整
频率分辨率
数字设定：0.01hz，模拟设定：最高频率×0.05%
转矩提升
自动转矩提升，手动转矩提升0.1%~30.0%
v/f曲线
三种方式：直线型，多点型，n次方型（1.2次方、1.4次方、1.6次方、1.8次方、平方）
加减速方式
直线/s曲线；四种加减速时间，范围0.1s~3600.0s
直流制动
启动时和停机时直流制动
直流制动频率：0.0hz~最大频率，制动时间：0.0s~100.0s
点动运行
点动运行频率：0.0hz~最大频率
点动加减时间：0.1s~3600.0s
简易plc及多段运行
通过内置plc或控制端子实现最多16段速运行
内置pid
可方便实现过程量（如压力、温度、流量等）的闭环控制系统
自动电压调整
当电网电压变化时，能自动保持输出电压恒定
控制功能
共直流母线
可实现多台节电器共用直流母线，能量自动均衡
转矩控制
无pg转矩控制
转矩限制
“挖土机”特性，对运行期间转矩自动限制，防止频繁过流跳闸
摆频控制
多种三角波频率控制，纺织专用
定时/定长/计数控制
定时/定长/计数控制功能
过压过流失速控制
对运行期间电流电压自动限制，防止频繁过流过压跳闸
故障保护功能
提供过流、过压、欠压、过热、缺相、过载、短路等30多种故障保护功能，可记录故障时节电器运行的详细状态，并具有故障自动复位功能
输入输出端子
输入端子
可编程di：7路开关量输入，1路高速脉冲输入
可编程ai：2路，电压0~10v或电流0/4~20ma输入
输出端子
可编程开路集电极输出：1路输出（开路集电极输出或高速脉冲输出）
继电器输出：2路
模拟量输出：2路输出，分别可选0/4~20ma或0~10v
通讯端子
提供rs485物理接口，支持modbus-rtu通讯
人机界面
led显示
可显示设定频率、输出频率、输出电压、输出电流等参数
多功能键
quick/jog键，可做多功能键使用
环境限制
温度
-10℃～40℃，超过40℃需降额使用，最高不超过50℃；每升高1℃，降额4%
湿度
≤90，无结露
海拔高度
≤1000m：输出额定功率，＞1000m：输出降额
存储温度
-20℃～60℃
存放环境
室内，无阳光直射、尘埃、腐蚀性气体、可燃性气体、油雾、蒸汽、滴水、盐份、振动
3.3.2、压力传感器的选择
cyyb-120系列压力变送器为两线制4～20ma电流信号输出产品。它采用cyyb-105系列压力传感器的压力敏感元件。经后续电路给电桥供电，并对输出信号进行放大、温度补偿及非线性修正、v/i变换等处理，对供电电压要求宽松，具有4～20ma标准信号输出。一对导线同时用于电源供电及信号传输，输出信号与环路导线电阻无关，抗干扰性强、便于电缆铺设及远距离传输，与数字显示仪表、a/d转换器及计算机数据采集系统连接方便。cyyb-120系列压力变送器新增加了全密封结构带现场数字显示的隔爆型产品。可广泛应用于航空航天、科学试验、石油化工、制冷设备、污水处理、工程机械等液压系统产品及所有压力测控领域[13]。主要特点：
（1）高稳定性、高精度、宽的工作温度范围；
（2）抗冲击、耐震动、体积小、防水；
（3）标准信号输出、良好的互换性、抗干扰性强；
（4）最具有竞争力的价格。
3.3.3、其他低压电器的选择
u       断路器的选择
（1） ，选择。断路器具有隔离,过电流及欠电压等保护功能,当节电器的输入侧发生短路或电源电压过低等故障时,可迅速进行保护。考虑节电器允许的过载能力为150%，时间为1min。所以为了避免误动作，断路器的额定电流应选
     （a）                    (3.2)
式中为节电器的额定输出电流
所以，选90a。
   （2） 断路器选择。在电动机要求实现工频和节电切换驱动的电路中，断路器应按电动机在工频下起动电流来考虑，断路器的额定电流应选
          (a)    
式中为电动机的额定电流，假设=60a。
所以选160a。
u       接触器的选择
接触器的选择应考虑到电动机在工频下的起动情况，其触点电流通常可按电动机的额定电流再加大一个档次来选择，由于电动机的额定电流为60a，所以接触器的触点电流选70a即可。
3.4、恒压供水节电器控制系统的控制方案
3.4.1、控制方式
通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号（4-20ma）送入节电器自带了pid调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，再由节电器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；实现恒压供水。当供水负载变化时，水泵也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。
3.4.2、故障处理
　　 当出现缺相、节电器故障、超压、差压等情况时，系统皆能发出报警信号；特别是当出现缺相、节电器故障、超压时，系统还会自动停机，并报警信号，通知维修人员前来维修。此外，节电器故障时，系统自动停机。
3.4.3、 休眠控制：
在夜间用水量非常少的情况下，为了节能，可以设置可以使水泵暂停工作的休眠状态。在管网压力允许的条件下，当节电器输出频率低于某下限频率时，节电器停止输出。当管网压力小于下限设定时，再唤醒节电器使之重新开始工作。
3.4.4、节电器pid参数的预置
由于节电器自带了pid模块，我们不需要进行pid调节器的设计，只需进行简单的参数设置就可以了。如选择信号为4～20ma，则由控制板上的j1跳线选择决定。
功能码
名称
设定范围
出厂值
更改
p8 组 增强功能
p8-49
唤醒阀值
0.0～pa-04(pid给定反馈量程)
3.0
○
p8-51
休眠阀值
0.00hz～p0-10(最大频率)
0.00hz
○
pa组 pid功能
pa-01
pid键盘给定
0.0～pa-04(pid给定反馈量程)
0.0
○
pa-04
pid给定反馈量程
pa-01(pid键盘给定) ～1000.0
100.0
○
pa-03
pid作用方向
0：正作用
1：反作用
0
○
pa-04
pid给定反馈量程
pa-01(pid键盘给定) ～1000.0
100.0
○
pa-05
比例增益kp1
0.0～100.0
20.0
○
pa-06
积分时间ti1
0.01s～10.00s
2.00s
○
pa-07
微分时间td1
0.000s～10.000s
0.000s
○
pa-08
pid反转截止频率
0.00～p0-10（最大频率）
0.00hz
○
pa-09
pid偏差极限
0.0%～100.0%
0.0%
○
pa-10
pid微分限幅
0.00%～100.00%
0.10%
○
pa-11
pid给定滤波时间
0.00～650.00s
0.00s
○
pa-12
pid反馈滤波时间
0.00～60.00s
0.00s
○
pa-13
pid输出滤波时间
0.00～60.00s
0.00s
○
例：一压力表量程为20.0公斤，供水要稳定在8.0公斤，休眠频率为30.00hz,唤醒阀值为2.0公斤
参数设定：     p0-03=8
pa-04 = 20.0    
               pa-01=8.0
               pa-28=1  （pid停机运算）
               p8-49=2.0 （唤醒点为压力）
               p8-51=30.00 （休眠点为频率） 
               p7-04=1,默认显示pid反馈值，通过面板上的shift键切换。
四、经济效益分析
4.1、节能计算
从流体力学原理知道，水泵供水流量与电动机转速及功率的关系为
式中为供水流量，为扬程，为电动机轴功率，为电动机转速。
假设有1台30kw的水泵电动机，假设一天运行16h，其中4h为额定转速，其余12h为80%额定转速运行，一年365天节约电能为
kw·h=64124 kw·h
若每1 kw·h电价为0.60 元，一年可节约电费为
0.60×64124元=38474.4元
注释：
以上节电收益计算为理论计算，结算时以现场测试的真实数据为准。
4.1、节电数据考核计算方法
4.1.1、节能量测量
ø         在节能技改实施前，将目前运行设备的配套电机前分别加装三相有功电度表，运行72小时，平均每小时的耗电量即作为节能技改前该设备的耗电量，由双方签字确认。
ø         在节能技改完毕后，将新安装的节能设备运行72小时，平均每小时的耗电量即作为节能技改后该设备的耗电量，由双方签字确认。
4.1.2、节能量、实际节电率、节能收益计算
²        改造后单位小时能耗＝安装节能设备后工作72小时所耗电量除以72小时
²        单位小时节电量＝改造前单位小时能耗—改造后单位小时能耗
²        实际节电率＝单位小时节电量/改造前单位小时能耗×100%
²        每月节电量＝单位小时节电量×时间基准
²        每月节能收益＝每月节电量×电价
五、项目结论
年来,由于城市的不断发展和供水量增加,供水管网改造很快。在传统的自来水厂设计中,进行送水泵选型时,首先考虑水泵应满足最不利工况点的要求,即以供水管网的最高时用水量和压力来计算水泵的设计流量和设计扬程。根据此法选型的水泵满足了最不利工况点的要求,却忽略了对能耗的考虑。在实际运行中,很多给水厂的水泵工作扬程下降,远离高效区运行,大大降低水泵效率, 每一天的供水负荷变化较大，特别是在午夜与凌晨的时段，产生大马拉小车的现象，这种情况在春冬两季更为明显，需要调节开度或倒开大小水泵。这样水泵频繁启停带来的冲击，会引起电机、水泵、阀门故障率增加，维修费用加大，同时网也有很大冲击。因此采用传统门开度控制流量和压力的方式，必然会造成大量能源浪费。随着节能技术的日益成熟，利用节电器、压力传感器等器件的有机结合，构成压力闭环自动控制系统，自动调节水泵的输出流量；采用节能调速技术不仅能使供水系统上维持在所期望的状态，可使整个系统工作状态平缓稳定，更重要的是其节能效果高达30%以上。
以上方案谨供参考之用。如有未尽之处，敬请各方予以指正！
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