4 给排水自动化_221~236

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1、 221 第第 4 章章 给排水自动化原理给排水自动化原理 4.1 生活给水系统与消防供水系统的自动控制生活给水系统与消防供水系统的自动控制 生活给水系统主要是对给水系统的状态、参数进行监测与控制，保证系统的运行参数满足建筑的供水要求以及供水系统的安全。 411 给水系统自动控制给水系统自动控制 现代建筑中常见的生活给水系统有以下三种方式： 水泵直接给水方式； 高位水箱给水方式； 气压罐压力给水方式。 1、高位水箱给水系统监控、高位水箱给水系统监控 在建筑的最高楼层设置高位供水水箱，用水泵将低位水箱水输送到高位水箱，再通过高位水箱送向给水管网供水，将水输送到用户。通常生活用水与消防用水分设彼此

2、独立的高位水箱。如果消防用水和生活用水共用一个水箱时，可将生活用水的出水管安装在距高位水箱底部一定高度的位置，而将消防水出水管安装在水箱底部，从而保证高位水箱在通常用水条件下的水位(或水量)不会低于(少于)消防设计要求。图4.1 是高位水箱给水系统控制原理。 （1） 控制原理控制原理 在高位水箱中，设置四个液位开关，分别为：检测溢流水位；停泵水位；启泵水位；低限报警水位。 在由多台水泵组成的系统中，多台水泵互为备用。当一台水泵损坏时，备用水泵能投入使用，以保证系统正常工作。为了延长各水泵的使用寿命，通常要求水泵累计运行时间数尽可能均衡。因此，每次启动水泵时，应优先启动累计运行时间数最少的水泵，

3、控制系统应有自动记录设备运行时间的功能。控制中心能实现对现场设备的远程控制，监控系统能够在控制中心实现对现场设备的远程开关控制。 （2）设备、系统运行状态与参数监控点位及常用传感器）设备、系统运行状态与参数监控点位及常用传感器 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 222 给水泵启停状态：取自给水泵配电柜接触器辅助触点。 给水泵故障报警：取自给水泵配电柜热继电器触点。 给水泵手自动转换状态：取自给水泵配电柜转换开关，可选。 给水泵启停控制： 水流开关状态：水流开关状态输出点。 低位水池高、低水位监测：取水池水位开关输出点，一般选用液位开关，溢流报警水位、启泵水位、停

4、泵水位、低限报警水位。 在高层建筑中，由于最高层与最低层的压差比较大，如果只用一个高位水箱给整个建筑(或建筑群)直接给水，则低层的生活给水压力太大，供水效果不好。因此，若在高层建筑(群)中采用高位水箱供水时，常用的办法有两种，一种是在不同标高的分区设立独立的高位水箱，对相应的分区供水：另一种是对最高层的高位水箱进行减压后，向不同的分区供水。这样就避免了低楼层供水压力太大的不足问题。图 4.2 是高位水箱分区给水系统图。 2、水泵直接给水系统监控、水泵直接给水系统监控 用水泵直接向终端用户提供一定水压的供水方式。通常在给水泵前建有缓冲水池，避免水泵大水量不均衡供水对城市管网的影响。这种供水系统常

5、采用恒速泵加变频调速泵的供水方式， 即根据终端用户的用水量调整恒速泵的台数与变频调速泵的转速来满足用户用水量的需要， 而调速水泵的转速调节是通过变频来实现的。图 4.3 是水泵直接给水系统监控原理图。 （1）控制原理）控制原理 安装在水泵输出口的水管式压力传感器检测管网压力， 检测值与设定值比较的偏差去控制变频器的输出频率，实现水泵转速的控PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 223 制，将供水压力维持在设计范围内。当给水管网用户用水量增多、管网压力减小，控制器控制变频器输出频率增加，水泵转速随着增加，供水量增加，以满足用户的需求：给水管网用户用水量减少、管网压力增

6、加，控制器控制变频器输出频率降低，水泵转速随着减少，供水量减少，以达到节能的目的。系统运行时，调速泵首先工作，当调速泵不能满足用水量要求时，自动启动恒速泵：反之，压力过高时，亦是先调低调速泵的转速，然后再减少恒速泵的运行台数。 （2）设备、系统运行状态与参数监控点位及常用传感器）设备、系统运行状态与参数监控点位及常用传感器 生活给水供水压力测量 恒速供水泵启停状态 恒速供水泵故障报警 恒速供水泵启停控制 恒速供水泵手自动转换状态 变速供水泵启停状态 变速供水泵故障报警 变速供水泵手自动转换状态 变速供水泵启停控制 变速供水泵转速控制 缓冲水池高低水位监测 水流开关状态 在高层建筑中，水泵直接给

7、水系统如果采用一种给水压力向整个建筑(或建筑群)直接给水，同样存在PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 224 低层的生活给水压力太大、给水效果比较差的问题。因此，如果在高层建筑(群)采用水泵直接给水系统，则常采用分区配置不同扬程的水泵向不同分区直接给水的方式：或者是采用同一扬程水泵，进行减压后向不同分区给水的方式。图 4.4 水泵直接给水分区水系统图。 3、气压给水系统监控、气压给水系统监控 气压给水方式是利用气压罐代替高位水箱的给水系统。 气压罐可以集中于地下室水泵房机避免在楼房高层设置高位水箱占用空间的缺点。气压罐的外层为金属罐体， 内有一个密封式弹性橡胶气囊

8、， 气囊内充有一定压力的氮气， 水泵向罐体和气囊间的空间注水， 水压升高， 压迫气囊，气囊内氮气体积缩小， 当罐体和气囊间的水压力达到规定值时停泵。 靠气囊内气体的压力向给水管网供水。 给水管网用户用水后， 管网和罐内水压下降。水压下降，降到规定值后，水泵再次启动，向罐内注水，水压再次升高，如此循环，保持水压在一定的范围内，以满足供水要求。图 4.5 给出气压给水系统监控原理图。 （1）控制原理）控制原理 通过水管式压力传感器检测给水管网输入口压力，DDC 控制器将测量压力值与设定值 H 较，根据比较偏差的大小控制给水泵的启停，以保证供水压力在要求的范围内。 4.1.2 生活供水与消防供水的合

9、用生活供水与消防供水的合用 对多层建筑，建筑设计防火规范GBJ16- 87 第 8.1.2 条规定“消防给水宜与生产、生活给水管道合用“。但对高层建筑， 高层民用建筑设计防火规范GB50045- 95 第 7.4.1 条规定“室内消防给水系统应与生活、生产给水系统分开独立设置“。而 12 层以内小高层建筑(特别是住宅楼群)，生活消防压力差别不大，若管材选用适当或消防管路采取防倒流措施，在采用变频设备及电源可靠条件下，建议适当放宽要求并允许生活消防合用供水设备。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 3 225 1生活供水与消防供水的合用生活供水与消防供水的合用优点优

10、点： (1)生活消防泵组定时轮换运行，不会因消防泵长期不用或管理不善而使水泵锈死，机组时刻处在工作状态。 (2)生活泵组和消防泵组合用，基本节省一套消防泵组，且便于设备管理和维护。 (3)设备自动化程度高，供水稳定可靠，且水质无二次污染。 (4)水泵软启动软停车，无冲击和超压危害。 系统可按循环软启动变频设备或带小流量泵的循环软启动变频供水设备选型，主泵流量按生活、消防两者最大的来选择，并留有 1 台备用泵，扬程一般按消防设计压力选择。 2应注意的有问题：应注意的有问题： (1)应设消防接口，如有消防报警系统应设24VDC 无源启停接口。 (2)应有消防时确保消防用水的技术措施，如在生活总管上

11、安装电磁阀，消防时关闭生活用水。 (3)应设水位接口，消防低水位报警，并关闭生活用水。 (4)应有双恒压功能，即平时低恒压生活供水，消防时自动转入高恒压消防供水。 (5)消防时应限制退泵操作，以防止压力不稳。 4.2 变频调速恒压供水系统变频调速恒压供水系统 变频调速恒压供水系统主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成，通常由鼠笼式异步电动机驱动水泵旋转来供水。通常在同一路供水系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台泵全开，供水量小时开一台或两台。在采用变频调速进行恒压供水时，有两种方式：第一种是每台水泵配用一台变频器；第二种是所有水泵配用一台变频器。 第一种方法根据压力反馈信号，通过 PID 运算

12、自动调整变频器输出频率，改变电动机转速，最终达到管网恒压的目的，只有一个闭环回路，较简单，但成本高。 第二种方法成本低，性能良好，但控制程序较复杂，是发展方向。 4.2.1 变频调速运行在供水系统中的工作原理变频调速运行在供水系统中的工作原理 变频供水系统是通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速，而异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速，从而实现调速的。 根据异步电动机转差率的定义: 001onnnSnn= （4-1） 异步电机的同步转速为: 1 060fnp= （4-2） 异步电机的转速为: 1

13、060(1)(1)fSnnSp= （4-3） 其中： n。为电机同步转速；n 为电机转子转速；f1为电源频率； P 为电动机极对数。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 226 当极对数 P 不变时，电机转子转速 n 与定子电源频率 f 成正比，因此连续调节异步电机供电电源频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节转子的转速。 变频调速时，从高速到低速可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，已成为交流调速的首选方案和主要发展方向。 4.2.2 变频调速在供水系统中的节能原理变频调速在供水系统中的节能

14、原理 传统的供水控制方式是采用固定转速的电动机驱动水泵，用调节阀来控制管道中流量的变化。用水量大时，水泵工作在额定条件下，效率最高：当用水量减小时，调节阀门使出水量减小，以控制流量。但此时水泵在很高的压差下工作， 泵的能量输出比实际系统需要多很多， 多余的能量以热量的形式表现在阀上，并被水流带走。因此用调节阀控制流量，能量损失相当大。 用变频调速来实现恒压供水，驱动水泵电动机在可变速情况下工作，使得水泵的特性曲线与系统在任何流量条件下的需要相匹配，因而只损失很少的能量。与用调节阀门来实现恒压供水相比，节能效果十分显著。其优点是: 1)起动平衡，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电

15、网的冲击； 2)由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命； 3)可以消除起动和停机时的水锤效应。 1、供水系统的基本特性、供水系统的基本特性 扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下，扬程 H 与流量 Q 之间的关系曲线 H=f（Q)，如图 4.6 所示。由图可以看出，流量 Q 越大，扬程 H 越小。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程 H 与用水流量Qu之间的关系 ()uHf Q= （4-4） 管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下， 扬程H 与流量 Q 之间的关系曲线 H = f （Q)，如图 4.6 所示。管阻特性描述了水泵的能量用来克服