高层建筑恒压供水控制系统设计_毕业设计(论文)(编辑修改稿)

高层建筑恒压供水控制系统设计_毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

效果上明显优于气压罐方式。 气压罐方式依靠压力罐中的压缩空气送水，气压罐配套水泵运行时，水泵在额定转速、额定流量的条件下工作。 当系统所需水量下降时，供水压力将超出系统所需要的压力从而造成能量的浪费。 同时水泵是工频率启 动，且启动频繁，又会造成一定的能耗。 而变频恒压供水在系统用水量下降时可无级调节水泵转速，使供水压力与系统所需水压大致相等，这样就节省了许多电能，同时变频器对水泵采用软启动，启动时冲击电流很小，启动能耗比较小。 另外气压罐要消耗一定的钢量，这也是它的一个较大的缺点。 而变频调速供水系统的变频器是一台由微机控制的电气设备，不存在消耗多少钢材的问题。 同时由于气压罐体积大，占地面积一般为几十平米。 而变频调速式中的调速装置占地面积仅为几平米。 由此可见变频调速供水方式比气压罐供水方式将节省大量占地面积。 在运行效果上，气压罐 方式与调速式相比也存在着一定差距。 气压罐方式的运行不稳定，突出表现在它的频繁启动。 由于气压罐的调节容量仅占其总容积的 1/31/6，因而每个罐的调节能力很小，只得依靠频繁的启动来保证供水，这样将产生较大的噪声，同时由于启动过于频繁，压力不稳，加之硬启动，电气和机械冲击较大，设备损坏很快。 变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，加之启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击。 在小区供水中，而且由于调速式是经水泵加压后直接送往用户的，防止了的水质二次污染，保证了饮用水水质可靠。 由此可见 ，变频调速式供水系统具有节约能源、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。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 3 第二 章 调速恒压供水系统能耗与安全性分析 在供水系统中，用水量处于动态变化过程之中，采取恒速泵供水方式，无法维持管压恒定，同时也影响设备寿命；若采取阀门控制调节流量来维持管压，必然造成大量的电能浪费；而且水泵电机直接工频起动与制动带来的水锤效应，对管网、阀门等也具有破坏性的影响。 基于恒压、节能及安全性考虑，采取变频调速恒压供水方式是一种不错的选择。 据 统计采用变频调速技术调节流量实现恒压供水，可节 2050%，节能效果相当显著。 在讨论变频调速恒压供水系统节能机理与安全性之前，有必要讨论分析供水系统的一些基本概念和特性。 供水系统的基本模型 供水系统的基本模型如图 所示。 图 供水系统的基本模型 a)全扬程的概念 b)基本模型 图中 ： 0L —— 水泵中心位置； 0h —— 吸水口水位； 1h —— 水平面水位； 2h —— 管摩擦损失 吸入口 水压 全 扬 程 实 际 扬 程 )(mHB )(mHT 泵 H0 H1 H3 H2 水面 L0 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 4 道最高处水位； 3h —— 在管道高度不受限制的情况下，水泵能够泵水上扬的最高位置的水位。 表明水泵的泵水能力。 在真实的管道系统中，这个位置并不存在。 只有在 3h 大于管道的实际最高位置的情况下，才能正常水。 主要参数有 ： 1． 流量 Q 单位时间内流过管道内某一截面的水流量，常用单位是 3m /min； 2． 扬程 H 也称水头，是供水系统把水从一个位置上扬到另一位置时水位的变化量，数值上等于对应的水位差，常用单位是 m； 3． 实际扬程 BH 供水系统中，实际的最高水位 2h 与最低水位 1h 之间的水位差，即供水系统实际提高的水位。 即 ： BH = 2h 1h ； 4． 全扬程 TH 水泵能够泵水上扬的最高水位 3h 与吸入口的水位 0h 之间的水位差。 全扬程的大小说明了水泵的泵水能力。 即 ： TH = 3h 0h ； 5． 损失扬程 LH 全扬程与实际扬程之差，即为损失扬程。 BH , TH , LH 之间的关系是 ： TH = BH + LH。 供水系统为了保证供水，其全扬程必须大于实际扬程，这多余的扬程一方面用于提高及控制水的流速，另一方面 用于抵偿各部分管道内的摩擦损失 ； 6． 管阻 R 阀门和管道系统对水流的阻力和阀门开度、流量大小、管道系统等多种因素有关，难以定量计算，常用扬程与流量间的关系曲线来描述 ； 7． 压力 P 表明供水系统中某个位置水压大小的物理量。 其大小在静态时主要取决于管路的结构和所处的位置，而在动态情况下，则还与流量与扬程之间的平衡情况有关。 供水系统的特性曲线和工作点 供水系统的参数表明了供水的性能。 但各参数之间不是静止孤立的， 相互间存在一定的内在联系和变化规律。 这种联系和变化规律可用供水系统的特性曲线直观地反映，主要有扬程特性曲线和管组特性曲线，如图。 通过特性曲线图可以掌握供水系统的性能，确定其工作点。 图 中 ： EH 0H NH CH EQ NQ O BH ② ① ③ ④ TH A B N 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 5 曲线 ① —— 额定转速 Nn 时的扬程特性曲线 ； 曲线 ② —— 转速 1n 时的扬程特性曲线 ； 曲线 ③ —— 阀门开度 100%时的管阻特性曲线 ； 曲线 ④ —— 阀门开度不足 100%时的管阻特性曲线。 图 供水系统特性 曲线 1． 扬程特性 以管路中的阀门开度不改变为前提，即截面积不变，水泵在某一转速下，全扬程与流量间 的关系曲线 )(QfHT  ，称为扬程特性曲线。 不同转速下，扬程特性曲线不同，图 中的曲线 ① 、 ② 分别对应于转速 Nn 、 1n ，且 Nn ＞ 1n。 曲线表明转速一定时，用水量增大，即流量增大，管道中的管阻损耗也就越大，供水系统的全扬程就越小，反映用户的用水需求状况对全扬程的影响的。 在这里，流量的大小取决于用户，是用水流量，用 UQ 表示。 用水量一定时，即 UQ 不变，转速越低，水泵的供水能力越低，供水系统的全扬程就越小。 2． 管阻特性 以水泵的转速不改变为前提，阀门在某一开度下，全扬程与流量间的关系曲线)(QfHT  ，称为管阻特性曲线。 不同阀门开度，管阻特性曲线不同，图 中的曲线③ 对应阀门开度大于曲线 ④ 对应的阀门开度。 管阻特性表明由阀门开度来控制供水能力的特性曲线。 此时转速一定，表明水泵供水能力不变，流量的大小取决于阀门的开度，即管阻的大小，是由供水侧来决定的，故管阻特性的流量可以认为是供水流量，用 GQ 表示。 在实际的供水管道中，流量具有连续性，并不存在供水流量与用水流量的差别。 这里的 GQ 和 UQ 是为了便于说明供水能力和用水需求之间的平衡关系而假设的量。 当供水流量 GQ 接近于 0 时，所需的扬程等于实际扬程（ BT HH  ）。 表明了如果全扬程小于实际扬程的话，将不能供水。 因此，实际扬程也就是能够供水的基本扬程。 3． 供水系统的工作点 扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点。 在这一点，供水系湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 6 统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性。 供水系统处于平衡状态，系统稳定运行。 图 中的 N 点表示水泵工作于额定转速，阀门开度为 100%时的供水状态，为系统的额定工作点。 4． 供水功率 供水系统向用户供水时所消耗的功率 GP （ kW)称为供水功率，供水功率与流量和扬程的乘积成正比 QHCP rPG  （ ） 式中 PC 一一比例常数。 供水系统中恒压实现方式 对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用 户对流量的需求。 所以，流量是供水系统的基本控制对象。 而流量的大小又取决于扬程，而扬程难以进行具体测量和控制。 考虑到动态情况下，管道中水压的大小是扬程大小的反映，而扬程与供水能力 (由流量GQ 表示 )和用水需求 (由用水流量 UQ 表示 )之间的平衡情况有关。 若供水能力 GQ ＜用水需求 UQ ，则压力 P 下降； 若供水 能力 GQ = 用水需求 UQ ，则压力 P 不变。 若供水能力 GQ ＞用水需求 UQ ，则压力 P 上升； 可见 ，流体压力 P 的变化反映了供水能力与用水需求 UQ 之间的矛盾。 从而，选择压力控制 来调节管道流量大小。 这说明，通过恒压供水就能保证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。 异步电动机调速方法 通过转速控制法实现恒压供水，需要调节水泵的转速。 水泵通过联轴器由三相异步电动机来拖动，因此水泵转速的调节，实质就是需要调节异步电动机的转速。 由三相异步电动机的 )1(60)1(1 sp fsnn  () 由式（ ） 可知 调速方法有变极调速、变转差调速和变频调速。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 7 1． 变极调速 在电源频率一定的情况下，改变电动机的磁极对数，实现电机转速的改变。 磁极对数的改变通过改变电机定子绕组的接线方式来实现。 这种调速方式只适用于专门的变极电机，而且是有极调速，级差大，不适用于供水系统中转速的连续调节。 2． 变转差调速 通过改变电动机的转差率实现电机转速的改变。 三相异步电动机的转子铜损耗为 emCu sPrIP  39。 2239。 22 3 () 该损耗和电机的转差率成正比，又称为转 差功率，以电阻发热方式消耗。 电动机工作在额定状态时，转差率 s 很小，相应的转子铜损耗小，电机效率高。 但在供水系统中由转速控制法实现恒压供水时，为适应流量的变化，电机一般难以工作于额定状态，其转速值往往远低于额定转速，此时的转差率 s 增大，转差功率增大，电机运行效率降低。 虽然变转差调速中的串级调速法能将增加部份的转差功率通过整流、逆变装置回馈给电网，但其功率因数较低，低速时过载能力低，还需一台与电动机相匹配的变压器，成本高，且 增加了中间环节的电能损耗。 因此变转差调速方法不适用于恒压供水系统中的转速控制法。 3． 变频调速 通过调节电动机的电源频率来实现电机转速的调节方式。 这种调速方式需要专用的变频装置，即变频器。 最常用的变频器采取的是变压变频方式的，简称为 VVVF (Variable Voltage Variable Frequency)。 在改变输出频率的同时也改变输出电压，以保证电机磁通基本不变，其关系为 11fu = 常数 式中 1u 一一变频器 输出电压， 1f 一一变频器输出频率。 变频调速方式时，电动机的机械特性表达式 ])()[(2/239。 2139。 21139。 2211xxsrrfsrpUmT （ ） 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 8 式中 1m 一一电机相数 ； 1r 一一定子电阻 ； 1x 一一定子漏电抗 ； 39。 2x 一一转子漏电抗折算值。 频率 1f 从额定值 Nf 往下调时， 电机机械特性变化情况如图。 图 中 Nf ＞ 1f ＞ 2f ＞ 3f ＞ 4f。 变频调速过程的特点： 静差率小，调速范围大，调速平滑性好，而且，很关键的一点是调速过程中，其转差率不变。 电机的运行效率高，适合于恒压供 水方式中的转速控制法。 因此恒压供水系统中采取变频调速方式可以获得优良的运行特性和明显的节能效果。 图 变频调速机械特性 变频器选型 变频器的选择包括变频器的型式选择、容量选择和变频器箱体结构的选择三个方面。 其总的原则是首先保证可靠地满足工艺要求，再尽可能节省资金。 变频器的型式选择 根据控制功能可将通用变频器分为三种类 :普通功能型 U/F控制变频器、具有转矩控制功能的高性能 U/F控制变频器和 矢量控制高性能型变频器。 变频器类型的选择要根 据负载的要求进行。 对于风机，泵类等平方转矩，低速负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器。 在变频器选型前应掌握传动系统的以下参数 : （ 1）电动机的极数。 一般电动机极数以不多于 4极为宜，否则变频器容量要适当加大； （ 2）转矩特性。 在同等电动机功率情况下，相对于高过载转矩模式，变频器规格n T 1f 2f 3f 4f Nf 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 9 可以降额选取； （ 3）电磁兼容性。 为减少主电源千扰，使用时可在中间或变频器输入电路中增加电抗器，或安装前置隔离变压器。 一般当电动机与变频器距离超过 50m时，应在它们中间串入电抗器、滤波器或采用屏蔽防护电缆。 变频器的选型应满足 以下条件 :。