本發(fā)明涉及供水技術(shù)領(lǐng)域，主要是一種變頻變壓智能供水設(shè)備及供水控制方法。

背景技術(shù)：

在供水設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，由于無(wú)法預(yù)估樓宇供水系統(tǒng)的管路流動(dòng)損失及用戶用水需求的波動(dòng)性等因素，泵的選型常留有較大余量，另外生活供水需求在各個(gè)季節(jié)以及每天不同時(shí)段都不盡相同，這些常使得泵組運(yùn)行偏離最佳運(yùn)行工況點(diǎn)，效率較低。因此，供水設(shè)備存在較大的節(jié)能空間，在滿足用水需求的前提下，降低能耗是供水系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

目前，供水設(shè)備普遍采用恒壓控制模式，通過(guò)調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速來(lái)維持供水壓力的不變，滿足系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中用戶用水量的變化，從而起到節(jié)能效果。雖然恒壓供水系統(tǒng)考慮了用戶需求，但未兼顧管路系統(tǒng)阻力的變化。在用水高峰時(shí)段，管路水流量大，管阻較大；用水低谷時(shí)，管路水流量小，管阻較小，使得末端用戶側(cè)水壓偏高，一方面造成了過(guò)余，另外增加了管網(wǎng)滲漏及故障率。

變壓供水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，同樣需要保證最不利點(diǎn)處的供水壓力恒定。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，是通過(guò)在最不利點(diǎn)處設(shè)置壓力變送器，并將采集數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制中興，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行的變頻變壓供水，然而采用無(wú)線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程方式，不但增加系統(tǒng)成本和維護(hù)費(fèi)用，而且當(dāng)供水設(shè)備置于地下室時(shí)，數(shù)據(jù)信號(hào)遠(yuǎn)傳的穩(wěn)定性和可靠性有待考究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種變頻變壓智能供水設(shè)備及供水控制方法，建立一種簡(jiǎn)易實(shí)現(xiàn)供水設(shè)備變頻變壓并且穩(wěn)定可靠運(yùn)行的實(shí)施方案及控制方法。

本發(fā)明的目的是通過(guò)如下技術(shù)方案來(lái)完成的。這種變頻變壓智能供水設(shè)備，主要包括進(jìn)水管路、出水管路、多級(jí)離心泵組、變頻器和控制器，所述的多級(jí)離心泵組并聯(lián)連接在進(jìn)水管路和出水管路之間，所述的進(jìn)水管路上設(shè)置有低水位開(kāi)關(guān)和進(jìn)口壓力傳感器，出水管路上設(shè)置有出口壓力傳感器、隔膜式壓力罐和壓力開(kāi)關(guān)，低水位開(kāi)關(guān)、進(jìn)口壓力傳感器、出口壓力傳感器和壓力開(kāi)關(guān)分別與所述控制器相連接；多級(jí)離心泵組中每一級(jí)供水支路采用球閥a4、離心泵、止回閥和球閥b依次連接的結(jié)構(gòu)；每一個(gè)離心泵與變頻器采用一對(duì)一配置連接，變頻器和控制器相連；供水設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，傳感器信號(hào)傳入控制器，經(jīng)過(guò)控制算法計(jì)算并配合變頻器對(duì)多級(jí)離心泵組進(jìn)行調(diào)節(jié)控制實(shí)現(xiàn)變頻變壓供水模式運(yùn)行。

所述的進(jìn)水管路上游連接蓄水池或者穩(wěn)流罐，出水管路下游連接樓宇供水管網(wǎng)。

這種變頻變壓智能供水控制方法，具有無(wú)流量計(jì)智能管網(wǎng)流量需求判斷功能，通過(guò)進(jìn)口壓力傳感器和出口壓力傳感器，并結(jié)合變頻器輸出的轉(zhuǎn)速信號(hào)，根據(jù)泵特性曲線和相似換算計(jì)算得到當(dāng)前管路系統(tǒng)流量；將實(shí)際的控壓點(diǎn)放置到了離水泵出口，結(jié)合離水泵運(yùn)行原理和管路損失與流量之間的關(guān)系，通過(guò)出口壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)最不利點(diǎn)處的用水信息，進(jìn)而建立一種實(shí)施簡(jiǎn)單的變頻變壓節(jié)能運(yùn)行方式；運(yùn)行過(guò)程中，供水設(shè)根據(jù)用戶需求自動(dòng)調(diào)整控壓點(diǎn)目標(biāo)壓力，實(shí)現(xiàn)最不利點(diǎn)供水壓力不小于最低供水壓力。

更進(jìn)一步的，根據(jù)管網(wǎng)不同流量需求，自動(dòng)調(diào)整泵出口壓力，流量大，出口壓力越大；流量小，出口壓力越小；出口壓力隨流量變化關(guān)系設(shè)定為階梯線性模式和拋物線模式，任何一種模式下均保證最不利點(diǎn)的供水需求；基于當(dāng)前控壓點(diǎn)目標(biāo)壓力，通過(guò)與所述第二壓力傳感器實(shí)測(cè)出口壓力建立差值信號(hào)，通過(guò)pid生成變頻器的控制信號(hào)，并通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)第二壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)與控壓點(diǎn)目標(biāo)壓力相同。

更進(jìn)一步的，基于用水需求判斷，自動(dòng)調(diào)整水泵數(shù)量和運(yùn)行轉(zhuǎn)速，運(yùn)行過(guò)程中，每臺(tái)水泵均處于高效運(yùn)行區(qū)域；偏離高效區(qū)域時(shí)，增加水泵或減少水泵。

更進(jìn)一步的，控制系統(tǒng)程序的通用性在于采用參數(shù)自適應(yīng)的pid控制算法實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)壓，控制系統(tǒng)程序的通用性還在于能夠自動(dòng)適應(yīng)不同數(shù)量的離心泵。

本發(fā)明提供兩種控壓點(diǎn)變化規(guī)律，線性控制規(guī)律和拋物線控制規(guī)律。所述兩種控制規(guī)律均在在閥門(mén)全開(kāi)時(shí)的整個(gè)泵系統(tǒng)的特性曲線的上方。每個(gè)控壓點(diǎn)均具有穩(wěn)壓過(guò)程，故所述控壓點(diǎn)變化規(guī)律成階梯狀跳躍。基于當(dāng)前控壓點(diǎn)目標(biāo)壓力，通過(guò)與所述第二壓力傳感器實(shí)測(cè)出口壓力建立差值信號(hào)，通過(guò)pid生成變頻器的控制信號(hào)，并通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)第二壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)與控壓點(diǎn)目標(biāo)壓力相同。

本發(fā)明提供兩種無(wú)流量計(jì)管網(wǎng)用水需求預(yù)測(cè)方法，包括揚(yáng)程流量預(yù)測(cè)方法和功率流量預(yù)測(cè)方法。所述揚(yáng)程流量預(yù)測(cè)方法，是通過(guò)第一壓力傳感器和第二壓力傳感器并結(jié)合供水設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得供水設(shè)備揚(yáng)程。進(jìn)一步通過(guò)提前輸入控制器的泵性能曲線和相似換算規(guī)律，并結(jié)合變頻器輸出的轉(zhuǎn)速信號(hào)，可得到當(dāng)前管網(wǎng)用水流量。所述功率流量預(yù)測(cè)方法，是通過(guò)變頻器輸出的當(dāng)前水泵功率和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并結(jié)合泵性能曲線和相似換算規(guī)律，進(jìn)而得到當(dāng)前管網(wǎng)用水流量。

本發(fā)明提供一種以能效為判據(jù)的增泵和減泵控制方法。所述增泵控制方法，結(jié)合泵功率流量性能曲線和運(yùn)行轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，在保證管路流量需求和供水設(shè)備出口壓力不變的前提，計(jì)算當(dāng)前供水設(shè)備能耗和增加一臺(tái)泵后供水設(shè)備的總能耗，如果當(dāng)前供水設(shè)備能耗大于增加一臺(tái)泵后供水設(shè)備的能耗，則增加一臺(tái)泵，否則保持不變。選擇新啟動(dòng)的泵是正在運(yùn)行泵中運(yùn)行時(shí)間最短的那臺(tái)。所述減泵控制方法，類似所述增泵控制方法，當(dāng)實(shí)際供水設(shè)備能耗大于減少一臺(tái)泵后的供水設(shè)備能耗，則減少一臺(tái)泵，否則保持不變。選擇停止的泵是正在運(yùn)行泵中運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的那臺(tái)。

本發(fā)明的有益效果為：從水泵運(yùn)行原理出發(fā)，兼顧用水需求及管路系統(tǒng)特性，建立一種可靠性高并且在節(jié)能效果上明顯好于變頻恒壓供水模式的變頻變壓智能供水設(shè)備。本發(fā)明提供一種供水控制方法，可避免最不利點(diǎn)信息不能直接或及時(shí)反饋到水泵控制中心的問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1變頻變壓供水設(shè)備示意圖。

圖2變頻變壓控制流程示意圖。

圖3控壓點(diǎn)變化規(guī)律示意圖。

標(biāo)記說(shuō)明：進(jìn)水管路1、低水位開(kāi)關(guān)2、進(jìn)口壓力傳感器3、球閥a4、多級(jí)離心泵組5、控制器6、變頻器7、止回閥8、球閥b9、出口壓力傳感器10、壓力開(kāi)關(guān)11、隔膜式壓力罐12、出水管路13。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的介紹：

如圖1所示，這種變頻變壓智能供水設(shè)備，以4泵組為例，主要包括進(jìn)水管路1、出水管路13、多級(jí)離心泵組5、變頻器7和控制器6，所述的多級(jí)離心泵組5并聯(lián)連接在進(jìn)水管路1和出水管路13之間，所述的進(jìn)水管路1上設(shè)置有低水位開(kāi)關(guān)2和進(jìn)口壓力傳感器3，出水管路13上設(shè)置有出口壓力傳感器10、隔膜式壓力罐12和壓力開(kāi)關(guān)11，低水位開(kāi)關(guān)2、進(jìn)口壓力傳感器3、出口壓力傳感器10和壓力開(kāi)關(guān)11分別與所述控制器6相連接；多級(jí)離心泵組5中每一級(jí)供水支路采用球閥a4、離心泵、止回閥8和球閥b9依次連接的結(jié)構(gòu)；每一個(gè)離心泵與變頻器7采用一對(duì)一配置連接，變頻器7和控制器6相連，所述控制器自動(dòng)適應(yīng)1～6臺(tái)多級(jí)離心泵。供水設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，傳感器信號(hào)傳入控制器6，經(jīng)過(guò)控制算法計(jì)算并配合變頻器7對(duì)多級(jí)離心泵組5進(jìn)行調(diào)節(jié)控制實(shí)現(xiàn)變頻變壓供水模式運(yùn)行。所述的進(jìn)水管路1上游連接蓄水池或者穩(wěn)流罐，出水管路13下游連接樓宇供水管網(wǎng)。控制系統(tǒng)程序的通用性在于采用參數(shù)自適應(yīng)的pid控制算法實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)壓，控制系統(tǒng)程序的通用性還在于能夠自動(dòng)適應(yīng)不同數(shù)量的離心泵。具有低水位、高壓、電機(jī)過(guò)載保護(hù)功能。

這種變頻變壓智能供水控制方法，具有無(wú)流量計(jì)智能管網(wǎng)流量需求判斷功能，通過(guò)進(jìn)口壓力傳感器3和出口壓力傳感器10，并結(jié)合變頻器輸出的轉(zhuǎn)速信號(hào)，根據(jù)泵特性曲線和相似換算計(jì)算得到當(dāng)前管路系統(tǒng)流量；將實(shí)際的控壓點(diǎn)放置到了離水泵出口，結(jié)合離水泵運(yùn)行原理和管路損失與流量之間的關(guān)系，通過(guò)出口壓力傳感器10的壓力數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)最不利點(diǎn)處的用水信息，實(shí)現(xiàn)變頻變壓節(jié)能運(yùn)行；運(yùn)行過(guò)程中，供水設(shè)根據(jù)用戶需求自動(dòng)調(diào)整控壓點(diǎn)目標(biāo)壓力，實(shí)現(xiàn)最不利點(diǎn)供水壓力不小于最低供水壓力。

根據(jù)管網(wǎng)不同流量需求，自動(dòng)調(diào)整泵出口壓力，流量大，出口壓力越大；流量小，出口壓力越小；出口壓力隨流量變化關(guān)系設(shè)定為階梯線性模式和拋物線模式，任何一種模式下均保證最不利點(diǎn)的供水需求；基于當(dāng)前控壓點(diǎn)目標(biāo)壓力，通過(guò)與所述第二壓力傳感器實(shí)測(cè)出口壓力建立差值信號(hào)，通過(guò)pid生成變頻器的控制信號(hào)，并通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)第二壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)與控壓點(diǎn)目標(biāo)壓力相同。基于用水需求判斷，自動(dòng)調(diào)整水泵數(shù)量和運(yùn)行轉(zhuǎn)速，運(yùn)行過(guò)程中，每臺(tái)水泵均處于高效運(yùn)行區(qū)域；偏離高效區(qū)域時(shí)，增加水泵或減少水泵。

變頻變壓供水模式具體實(shí)現(xiàn)方式，如圖2所示。供水設(shè)備啟動(dòng)后，首先給定供水設(shè)備出口壓力的設(shè)定值pset，運(yùn)行中實(shí)時(shí)采集供水設(shè)備出口壓力傳感器10數(shù)據(jù)pm，考慮到用水波動(dòng)性，判斷實(shí)時(shí)壓力pm是否在設(shè)定壓力pset容差范圍內(nèi)δ1＝2％～5％。如果在此范圍內(nèi)，繼續(xù)保存現(xiàn)狀。若超出此范圍，說(shuō)明當(dāng)前供水模式不滿足當(dāng)前系統(tǒng)需求，進(jìn)入調(diào)整控制階段。通過(guò)調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速和泵的運(yùn)行數(shù)量，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)壓力pm在設(shè)定壓力pset容差范圍內(nèi)。此時(shí)通過(guò)管路用水流量并結(jié)合圖3中理想變壓運(yùn)行曲線，得到當(dāng)前流量下的最優(yōu)設(shè)定壓力pbest。將最優(yōu)設(shè)定壓力pbest與當(dāng)前設(shè)定pset進(jìn)行比較，如果超出容差范圍δ2＝5％～10％，將最優(yōu)設(shè)定壓力pbest賦值給當(dāng)前設(shè)定pset，否則不予調(diào)整。

用水需求預(yù)測(cè)模型主要通過(guò)泵的運(yùn)行特性和相似變化規(guī)律實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)如下。

流量揚(yáng)程預(yù)測(cè)模型，其中h＝aq²+bq+c其中a，b，c為泵特性參數(shù)，另外結(jié)合泵的相似變化：可得：由于泵特性參數(shù)為已知參數(shù)，供水設(shè)備進(jìn)出總管直徑相同，所以通過(guò)采集供水設(shè)備進(jìn)口壓力傳感器3和出口壓力傳感器10，獲得進(jìn)口壓力pin和出口壓力pout，可以計(jì)算得到揚(yáng)程其中ρ為流體密度，g為重力加速度。兩式相結(jié)合，并通過(guò)測(cè)定的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)就可以求解得到單泵流量。將供水設(shè)備所有泵的流量疊加，并乘以一定的安全系數(shù)，即可得當(dāng)前管網(wǎng)用水需求流量。

注：文中pset為設(shè)備出口設(shè)定壓力，pm為設(shè)備出口實(shí)際壓力，pbest為設(shè)備最優(yōu)設(shè)定壓力，δ1為設(shè)備出口設(shè)定壓力與出口實(shí)際壓力容差系數(shù)，δ2為設(shè)備出口設(shè)定壓力與出口最優(yōu)設(shè)定壓力容差系數(shù)，為水泵額定揚(yáng)程，為水泵額定流量，為水泵額定轉(zhuǎn)速，h為運(yùn)行水泵實(shí)際揚(yáng)程，q為運(yùn)行水泵實(shí)際流量，n為變頻水泵實(shí)際轉(zhuǎn)速，a、b、c為水泵特性參數(shù)，pin為設(shè)備進(jìn)口壓力，pout為設(shè)備出口壓力，ρ為流體密度，g為重力加速度。

可以理解的是，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案及發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。