智能永磁变频离心式恒压供水泵系统设计分析

智能永磁变频离心式恒压供水泵系统设计分析

曹柏锋

杭州士腾科技有限公司  310000

摘要：因大部分供水系统水泵设备启动与停止由压力控制，用户在开关用水设备时难免会频繁启动水泵设备，从而导致水泵设备部分构件因频繁启动而损坏，影响区域供水稳定。基于此，本文简单分析永磁变频离心式恒压供水泵系统概述，并深入探讨永磁变频离心式恒压供水泵工作原理与模式及案例分析，以供参考。

关键词：恒压离心泵；生活用水；稳定供水；节能降耗

引言：水资源是人们日常生活与工业生产中不可或缺的重要资源，而变频供水泵则是目前供水系统中的主要运行设备。目前很多地区传统供水系统经常会因水泵频繁启动而导致缺相故障，进而影响区域供水。因此，应以永磁变频离心式恒压供水泵取代传统供水方式，进而有效解决区域性供水压力不稳定的问题。

1. 变频恒压供水系统概述

恒压给水作为一种新型供水模式，因本身具有极强的稳定性和环保性，被广泛应用于建筑行业、工矿企业及民用建筑供水系统建设当中。随着现代科学技术与经济水平不断提高，恒压供水系统控制模式也在不断优化和改进，使得其在人们日常生活与工业生产供水系统建设中的可靠性和经济性得到很大提升。近年来，随着变频器相关技术不断升级和更新其技术工艺逐渐成熟，在系统运行过程中的稳定性也在不断提高，使其本身节能降耗优势更加突出。将变频技术合理融入到供水系统建设当中，构建变频恒压供水系统，再通过对供水压力的合理控制，使区域水流始终保持平衡使用和供应状态，这对供水系统中设备、供水量及水质的控制有着极大帮助。故而，根据区域用水状态合理构建现代恒压供水系统，可在最大限度上保障区域供水的稳定性和安全性，从而为企业创造更多的经济效益与节能效益。

智能永磁变频恒压供水泵通常被人们简称为恒压变频水泵，因大部分设备多以离心式结构为主，故而也将其称之为变频恒压供水离心泵。该设备属于一种现代高级恒压全自动供水设备，主要由稳压罐、止回阀、压力传感器、恒压控制器、变频器和离心泵构成。恒压变频供水泵因具有低噪声、节能环保、自设压力、恒压及全自动等优势，被广泛应用到居民用水与工业生产用水供水系统建设当中[1]。

2. 变频恒压供水系统工作原理与工作模式

2.1变频恒压供水系统工作原理

大部分居民和企业供水系统运行时其水流量通常存在着一定变化，一旦供水

压力过高则极易引起管道爆裂等不良现象，进而导致整个供水系统失灵，不但会造成大量水资源浪费，还会对用水居民日常生活与工业生产造成严重影响。但若水压不足则无法保障供水系统正常运行，特别是针对部分大型工业企业生活区和高层住宅区域，供水系统水压控制尤为重要。因此，可根据区域实际供水情况，合理布设变频恒压供水泵设备，从而有效解决区域供水设备故障频发及供水不稳的问题。

事实上，构建恒压变频供水系统的主要目的不仅限于降低供水设备故障发生率，还包括以下几方面：第一，布设恒压供水设备能够有效保障区域水压稳定，并实现供水系统自动和手动运行的完美切换。第二，当供水系统中存在多台供水设备时，可运用系统恒压控制功能使其形成自由切换运行状态，还可通过系统设置实现唤醒与睡眠两种工作模式，也就是当区域无用水需求时，系统会自动切换睡眠工作模式，直至用户开启水龙头再重新自动切换回正常模式。第三，可通过随时调整和改变PID运行参数，最终实现信号显示、检测报警、线路及泵组保护等功能。

根据上述多项系统功能论述得知，恒压供水泵系统的主要工作原理就是通过系统运行，将输水管道真实运行压力进行系统反馈后再比对原始给定压力值，若管道压力不足，变频器会自动增加设备输出频率，加快水泵运转速度提升管道压力。如输水管道压力超出标准压力范围，变频器则会自动减少设备输出频率，并降低水泵运转速度减少供水量，进而缓解输水管道的输水压力，使其始终保持恒定压力状态，保障供水系统稳定运行。变频恒压供水系统工作原理，如图1所示。

图 1 变频恒压供水系统工作原理图

2.2变频恒压供水系统工作模式

变频恒压供水系统工作模式主要分为手动、半自动及全自动运行模式。手动运行模式主要指的是由于设备在日常工作运行过程中，因外界环境及内部损耗，导致内部变频器与感应器产生设备故障，无法启动自动控制闭环系统，而采用人工手动方式设定固定的恒定水压值的方式，来保障区域用水系统正常运行。而半自动运行模式则主要指的是将水管内部运行的水压感应器数值，通过网络设定传输至控制端可编程程序当中，经过数据处理方式更改变频信号，因故障变频器无法正常对水泵设施实施无级变速操作时，供水系统会产生水压不足现象，此时系统会开启备用水泵，直至主用设备通过维修后恢复正常时再实施二次开启。而全自动运行工作模式，则是在保障全部供水设备性能正常的前提下，根据区域管道水压及用水量感应器检测数值，来实施设备全面自动化运行的工作模式。

3. 实例分析

3.1工程概况

以某煤矿企业生活区供水系统改造工程为例，改造范围共分为水房、村镇家属房、挖掘工作人员生活区、主要员工生活区及办公区等几个区域。其中水房在冬季时的员工用水量约为每小时0.5m³，距离工程新开发用水池48m且无任何高差。村镇家属房共有需供水房屋17个，主要用水区域为房屋厕所、厨房等地，距离工程新开发用水池595m，为-21m高差值。挖掘工作人员共分为两个生活区，其中一组生活区共有企业员工100人左右，主要用水区域为厕所、食堂等地，距离工程新开发用水池255m，为-8m高差值。二组生活区共有企业员工60人左右，主要用水区域为食堂等地，距离工程新开发用水池145m，为12m高差值。主要员工生活区和办公区共有50个需要供水的房间，主要用水区域为厕所和食堂，距离工程新建用水池120m，存在12m高差值

[2]。

3.2供水现状

经过一系列实际调查得知，本次案例工程原有供水系统主要供水设备为自吸增压泵，利用设备运行驱动传感设备实施压力调节，为3-5bar压力调节范围，即设备启动与关闭时的压力分别为3bar和5bar。由于水泵设备开启和关闭主要作用力为运行压力，而企业生活区运用水又极其频繁，从而使水泵设备始终在开启状态和关闭状态之间频繁切换，传感器接触区域也因设备频繁分开、吸合而影响其本身使用性能，从而导致水泵电机设备引起缺相和其他设备故障，使得供水系统瘫痪，进而无法为生活区居民和工作人员提供正常用水服务。为彻底解决供水障碍，本次案例工程相关工作人员，虽然已在原有水泵供电线路上布设了相应的过流保护及可控制设备开关装置，但依旧无法有效解决设备传感器在达到运行限值后，水泵设备因频繁开启和关闭而导致设备损坏的弊端。为了从根本上解决企业生活区供水问题，本次案例企业已从各部门挑选了多名专业人员成立研究小组，重点针对生活区供水不稳定的问题展开一系列研究和讨论，在经过多方理论验证与实践后研究人员发现，生活区供水不稳定的主要因素在于原始供水系统水泵设备运行模式不当导致，最终决定以变频离心式恒压供水泵智能运行系统代替原始设备运行模式。

3.3设计方案

研究小组在经过一系列综合分析研究后，最终拟定了两套供水改造方案，如下所示：方案一，充分利用原有企业供水系统供水池来供水。在原有供水系统供水池中重新布设一条供水管路，为水房、村镇家属区及企业员工生活区进行供水，由于原有供水系统供水池标高相对较高，水流会为地势相对较低的3个供水区域进行自流式供水。而一组工人生活区与办公区基本标高与原始供水系统水池标高基本相同，采用自流方式无法满足区域供水要求，因此可通过增压泵辅助进行水资源供给。但此种供水方案仍然无法解决增压泵设备频繁开启和关闭的问题，长此以往，传感器接触点也会因设备频繁使用而损坏最终导致设备失灵，甚至破坏整个供水系统。方案二，为有效解决设备因频繁启动而损坏的问题，可在水房前附近区域建设一座10m*8m*4m的储水池。主要采用无塔压力供水模式，其主要设备包括电控装置、压力罐及潜水泵，并布设2台卧式全自动变频恒压水泵（5.5kW功率），由3T供水罐、1T稳压罐与管网进行连接构建供水系统，从而真正实现自动开启、关闭供水设备液位远程显示[3]。

经过企业综合考量最终决定采用第二套改造方案，来解决区域供水系统供水不稳的问题，具体包括以下几个实施步骤：第一，首先改造来自水管路，由于原始直埋供水管理已使用超过15年，管路内部存在多处漏水、锈蚀现象，故而可在新建水池区域外约600m距离处重新敷设来水管路。又因该地区冬季时期气温相对较低，需将重新敷设的自来水管路深埋至地下1.5m以下，并结合实际情况布设相应的防冻措施。该区域管路敷设总长度为300m，通过涵洞区域一直连接至新建水池区，而由于新建水池所处区域标高较高，需在涵洞内来水管路最低位置合理布设放水阀门，从而利于冬季时期水池内水流注满之后，能够在第一时间排出管路内部水流，避免管路内部残存水流因低温而冻结。第二，在新建水池区域布设相应溢流管道，防止因上水过多而引发漫流现象，并对新建水池实施封顶处理，在水池顶部区域预留水泵吸管口空间及可供工作人员清理水池的通道口，其整体建设口径为600m*600m的正方形预留口，并适当采取相应保护措施从而为施工人员提供相应的安全保障。第三，在新建水池上部区域构建4m*3m*5m的设备房，并在内部布设照明系统和供暖系统等基础设施。

3.4设备选择

研究小组通过综合分析区域用水现状，关于供水系统设备选型主要基于以下几个功能进行选择：第一，全自动设备。变频增压泵设备相比原有气压式（压差式）自动增压泵而言，其拥有更为强大的智能效果，不但可以在用户有供水需求时自动开启设备，还能按照用水量智能控制调节设备运行转速，真正实现恒压操作。第二，恒压设备。变频增压泵其本身原理是基于一个恒定压力参数设置来控制运行频率，当在系统内设定一个恒定压力参数，如在供水系统启动时因水流运行而导致水压变化偏离设定压力参数时，变频泵设备便会随着压力变化而实施补压操作，若实际压力超过设定压力参数便会自动减小，若实际压力低于设定压力参数也会自动增加，直到设备实际运行压力与压力参数值保持一致为止。第三，自设压力与节能降耗。关于自设压力方面，则可按照企业实际用水高度而适当调整设置相应的压力参数值。而在节能降耗方面，变频增压泵设备可在运行过程中智能识别用水量，且可根据用水量的改变而自动调节设备运行速度。当用水量相对较少时，设备运行时实际使用功耗会大幅度减弱。而当用水量增大时，设备实际使用功耗则会在运行至额定功耗时保持恒定状态，从而避免单个水阀开启和多个水阀开启时都是相同功耗运行状态。第四，低噪声设备。在非用水高峰期时，供水设备很多时候都是维持在一个低频状态下运行，低频率运转时其泵转数相对较低，故而其运行时所产生的噪声和振动也相对较低。由于本次案例改造工程主要是对于企业生活区供水系统改造，供水系统运行时的噪声大小也是衡量供水系统改造质量的重要指标之一。

3.5工程实施

本次案例工程供水设备主要安装在储水池上方区域，整体供水系统结构，如图2所示。

图 2 新建供水系统结构图

本次案例工程主要采用HY－ZS50型变频恒压供水系统设备，以304不锈钢作为主要设备材质，供水系统主要部件包括2台卧式不锈钢增压泵、1台1T/0.7MPa不锈钢稳压泵、1台3T/07MPa恒压罐和1套电源控制柜构成。设备配套管件同样为304不锈钢材质，主要包括5套蝶阀、1套电接点压力表、1套远传液位仪、1套普通液位仪及5套止回阀构成[4]。

3.6使用效果及效益分析

3.6.1使用效果分析

供水系统经过改造后将智能永磁变频离心式恒压泵投入企业生活区，从而极大程度保障了区域供水系统的稳定，通过启停压力功能的设置，真正实现智能开启和关闭水泵设备。水泵设备主要运用变频控制模式，在设备开启时从低频运行到工频运行的完美切换，从而有效避免电机设备运行时对泵头产生的冲击力，大幅度降低设备故障率。当水泵设备运行过程中已运行压力已到达停泵标准时且并未达到压力临界点时，设备将始终处于低速运行状态，进而在最大程度上降低了设备运行功耗。而全新的供水系统运行模式也为变频器形成了一定保护，避免因欠压、过压及缺相而引发水泵故障。此外，为全面保障蓄水池内部水量符合设备补水需求，不能单单依靠变频器设备中自带的缺水保护装置，还应另外布设一套相应的水位报警装置才可。如此一来，一旦水位降到最低设定值时便会触发报警系统，相关人员可通过报警发出的声光及语音提示，及时对设备进行补水处理。通过改变原有水泵设备运行模式，合理利用离心式恒压供水设备，完美解决了企业生活区供水不稳定及设备故障频发的问题。

3.6.2应用效益分析

经过一系列数据统计得知，本次案例企业在改建生活区供水系统后，降低了大量水泵设备保养、维护费用，仅需定期对水泵设备及其他供水构件简单巡检即可，不但减少了设备维修与巡检工作人员数量，还大幅度降低了大量因供水系统失灵而引发的不便。而在社会效益方面，供水系统的正常运行不但保障了企业工作人员日常用水量供给，还有效降低了供水设备运行时产生的噪声污染，缓解了因设备运行噪声过大对员工形成的心理和身体伤害，从而为企业员工营造一个安全、健康、舒适的用水空间。

结论：综上所述，变频恒压供水泵因其本身具有提高水质、运行稳定、节能降耗等优势，被广泛运用于企业和居民小区供水系统当中。故而，应不断加大对该设备的研究力度，将变频技术合理运用到恒压供水系统中，从而构建一个安全、健康、可靠、节能的水资源供应空间。

参考文献：

[1]淮文军，沈炜栋，王以勇. 基于TIA和PLC的变频恒压供水自动控制系统设计[J]. 工业控制计算机，2021,34(05):118-120.

[2]火海萍. 二次供水泵的电气设备配置分析[J]. 电子技术，2022,51(02):130-131.

[3]郭峰,张永耀,,彭良. 输油站气压供水系统的变频改造应用[J]. 中国石油和化工标准与质量,2021,41(08):125-126.

[4]莫灼英. 东莞市供水系统水质监测及评价分析[J]. 水利科学与寒区工程,2022,5(09):57-61.