深水井小流量变频恒压稳压供水系统

深水井小流量变频恒压稳压供水系统

    摘要：当前深水井采用变频调速控制的非常广泛，由于存在生活用水小流量期间的“费电”问题，不少村镇在改用变频供水模式后，千吨水能耗指标较高。本文结合新密市超化镇东店村深水井小流量变频恒压稳压供水系统，介绍了深水井小流量变频供水系统的方案设计及运行情况。

关键词：深水井变频供水   小流量供水   节能   农村人畜饮水

1、前言

当前，我国已初步具备了建设新农村的条件：一方面，经过改革开放以来的快速发展，综合国力显著增强，有了支持保护农业、加大农村基础设施建设投入的经济基础；另一方面，近年来，在起点较高的基础上，党中央、国务院为改善农村生产生活条件出台了一系列更直接更有力的政策措施，特别是农村“六小工程”建设进展顺利，成效显著，为新农村建设积累了有益的经验。新密市超化镇东店村变频供水工程的实施就是当地新农村建设的一个亮点。

新密市超化镇东店村位于超化镇政府东800米，现有人口900多户。当地煤炭资源丰富，同时也是全国耐火材料的生产集中地。随着经济的快速发展，尤其煤炭资源的开发，也对当地人民群众的饮水问题造成一定影响，可饮用水层水位日益降低。新密市各级政府非常重视东店村的饮水问题，结合该村的实际问题，国家划拨专项资金，村子自筹部分资金，各户收取到户水表费、入户费，总共投资约100万元，建成现在日最大供水量800吨的深水井变频调速供水系统。

2、深水井变频供水设备简介

随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质的要求不断提高，变频供水设备已广泛应用于城市住宅小区的生活二次加压供水系统。近年来，深水井潜水泵采用变频调速控制的也已非常广泛，由于不需再建水塔，设备占地小，建设周期短，另外水质无二次污染，水泵软启动软停车，故障率低，设备大修周期延长，使用寿命提高。

但是，变频恒压供水系统在实际应用中若选型及控制不当，不但达不到节能目的，反而“费电”，尤其深水井变频系统问题更为突出。为此，不少村镇在采用变频供水模式后，感到并不像传统宣传的那样“用变频就节电”，使得对变频模式产生“怀疑”和“信任危机”，甚至有些地方人畜饮水项目干脆不采用变频供水模式。难道国家一直在推广的变频节电技术真的有问题吗？其根本原因在于变频供水系统存在的小流量能耗问题。

3、变频供水设备的小流量“费电”问题

根据流体力学理论，当水泵调速时，水泵电机轴功率P和流量Q、压力H与转速N之间的关系为：

Q₁/Q₂= N₁/N₂                                     (1-1)

H₁/H₂=（N₁/N₂）²                                 (1-2)

P₁/P₂=（N₁/N₂）³                                  (1-3)

即水泵的流量与其转速成正比，扬程（压力）与其转速的平方成正比，轴功率与其转速的立方成正比。按以上关系，在其它运行条件不变的情况下，通过下调电机的运行速度，其电耗是与转速成立方关系降低的，节电效果应非常明显。例如如果工况只需要50％的水量，则可以将电机的转速调节为额定的一半，此时电机消耗的功率仅为额定的12.5％，即理论上节能可达87.5％。

但以上结论只是理论分析，而且以上关系满足的前提是水泵的总效率η恒定，实际上当调速范围很大时，水泵的总效率η变化（降低）较大，根据水泵电机轴功率P和流量Q、扬程（压力）H之间的关系：

P=K·H·Q/η                                   (1-4)

其中K为常数，η为水泵的总效率。一般当水泵调速70%以下时，水泵效率η急剧降低，而且，实际的供水系统并不是开环状态，而是恒压闭环控制系统，速度调节范围不能很大，否则就满足不了设定压力的要求，所以，实际的变频恒压闭环供水控制系统小流量甚至“零流量”时水泵转速并不很低，管路压力设定越高，“零流量”频率越高。根据经验知道，对多层供水系统“零流量”频率约为25~30Hz，对高层、深水井供水系统“零流量”频率约为30~35Hz，若水泵扬程（选型不当）富裕量小，“零流量”频率会更大。

所以水泵在70%以下调速时，其电机轴功率P降低平缓，并不是完全与转速成立方的关系降低，这一点已由实践得以证实。可以说公式(1-1)~(1-3)仅当速度调节范围不大时成立，因此相对于水塔、高位水箱等的工频供水模式，当水泵速度调节范围很大时，变频供水模式就存在小流量“费电”问题。

随着人民生活水平的提高，一般生活供水系统都要求24小时不间断供水，村镇供水系统同样有此要求。而对于纯生活供水系统，供水高峰主要集中在早中晚三个时段约8个小时，其余时间供水量较小（甚至相差很大），若水泵功率较大，尽管采用变频器调速，但由上知调速泵在小流量下运行效率很低，因而造成小流量供水时间段内较大的能量浪费。一般潜水泵功率较大，因而深水井变频系统小流量“浪费”问题更为突出。假如深水井潜水泵功率为30KW，小流量频率按30Hz计算，每天夜间近6个小时内约有50~70KWh电能被“浪费”，实际白天也有近8个小时用水量较小，综合考虑，保守估计一年就多耗费30000~40000KWh！因此，不少村镇在使用变频供水模式后，感到电能消耗很大。下面就结合东店村的变频供水系统，介绍使用恒压稳压变频供水的方案解决小流量供水的耗能问题。

4、东店村深水井供水系统方案

东店村委对该项目建设非常重视，经过多方考察，并多次与郑州康达变频传动技术有限公司的技术人员深入探讨，最后确定了采用深水井变频调速并配套小流量囊式气压罐恒压稳压供水的方案。

深水井由新密市水利局负责勘探钻井，井深650米，水井净水位约65米，动水位81米，配套潜水泵型号为200QJ40-204/16，额定出水量40m³/h，额定杨程204米，额定功率37KW，电机额定电流79A。配套PCS-BP-1R-45KW型变频柜，主器件变频器采用日本东芝原装VF-P7-45KW型变频器，为保证可靠供水，还备用一套西安西普STR软起动器作为备用工频起动回路。为更好节约电耗，考虑了小流量供水节电方案，在供水主干管上安装一台NZG1600-0.6MPa囊式气压罐。水压信号由安装在供水主干管上的耐震远传压力表YZT-1.0MPa和耐震电接点压力表YX-1.0MPa提供。

变频柜控制核心为西门子可编程控制器LOGO 230RCo，开机运行时首先进入变频恒压供水模式，当系统用水量减小，运行频率降至小流量频率f_L时，系统进入小流量变频稳压状态，同时LOGO自动计算潜水泵稳压运行时间Tb和停泵保持时间Tt，若Tb超过T0(设为6分钟)或Tt超过Te（设为3分钟），系统则回到潜水泵变频恒压供水模式。系统的程序流程见图1。

      图1 深水井小流量变频恒压稳压供水控制流程

5、变频控制设备调试运行情况

变频控制设备调试按以下步骤进行：

1）先检查潜水电机绝缘情况，结果应符合厂家说明书要求。

2）连接变频柜电源主进线，空转运行变频器，检查变频器显示及变频器参数设置，并先设置小流量频率为50Hz。

3）连接潜水电机电缆。关小出水总阀，将双向闸刀投向工频侧，起动水泵，用钳形表检测三相运行电流，观察三相电流是否平衡，逐步打开总阀，观察电流变化及其他情况是否正常。

4）停机后，检查压力表传感器连线，调整电节点压力表上下限，按实际需求设置，本工程可设置为0.24MPa~0.50MPa。

5）关小出水总阀，带负荷运行变频控制设备，利用变频器面板上升、下降键调整恒压设定值，使总管出口水压恒定为0.3MPa（按实际需要设定）。适当调节总阀，观察压力变化及响应情况，如需要还要对变频器内部PID参数进行整定（参看相关说明）。

6）关死出水总阀，测试本系统的“零流量”频率f₀，根据该频率值设置小流量频率f_L，一般比“零流量”频率高3~5Hz。

7）稍稍打开出水总阀，模拟小流量供水工况，观察由变频恒压模式进入小流量变频稳压模式情况。逐步打开出水总阀，观察小流量变频稳压模式返回变频恒压模式的切换运行情况。

8）记录相关运行参数，可编程设置和变频器参数，备案归档。有关变频器参数设置见表1。

实际调试过程顺利，达到设计要求，这里不再详细介绍，至今设备已正常运行近2个月，实际运行试验表明，按当前供水规模，没有小流量功能时平均日耗电400KWh，有小流量功能时平均日耗电200KWh。

表1  变频器主要参数设定表

6、结论

在当前开展的新农村建设中，各级政府非常关注和加大农村基础设施建设投入，尤其切实解决农民群众的饮水问题，新密市超化镇东店村变频供水工程的实施就是当地新农村建设的一个亮点，通过近两个月的正式运行，证明了深水井并配套变频调速小流量恒压稳压供水方案的可行性。系统的成功运行，也为各地新农村建设中的人畜饮水工程建设积累了有益的经验。

本文作者：

李永刚：郑州大学教师，副教授，主要从事变频传动技术研究工作，技术咨询电话0371-67261160。冯金永：东店村人畜饮水工程项目负责人，东店村供水协会主任。李新甫，冉茂卫：郑州康达变频传动技术有限公司工程师，项目负责人。