采用數(shù)字集成全變頻控制技術(shù)研發(fā)成功的水泵專用數(shù)字集成變頻控制器并將其成功應(yīng)用于建筑二次供水領(lǐng)域，是變頻調(diào)速供水設(shè)備控制技術(shù)研發(fā)進(jìn)程中的關(guān)鍵突破和重大創(chuàng)舉。數(shù)字集成全變頻控制恒壓供水設(shè)備與傳統(tǒng)單變頻、多變頻恒壓供水設(shè)備相比的最顯著特點(diǎn)是高效和節(jié)能，它的推廣應(yīng)用將引領(lǐng)未來(lái)建筑二次供水設(shè)備發(fā)展的主導(dǎo)潮流。

　　關(guān)鍵詞：單變頻  多變頻  全變頻  全變頻控制恒壓供水設(shè)備  高效  節(jié)能  

　　變頻調(diào)速增壓供水從二十世紀(jì)九十年代開(kāi)始在我國(guó)推廣使用，是建筑二次供水技術(shù)的里程碑跨越。所以，變頻調(diào)速供水系統(tǒng)也是我國(guó)近二十年來(lái)應(yīng)用最為廣泛的二次增壓供水系統(tǒng)。變頻調(diào)速供水設(shè)備之所以受到如此青睞，除其具有系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定、采用密閉系統(tǒng)使水質(zhì)避免受到二次污染、確保飲水衛(wèi)生和可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制、運(yùn)行安全可靠等諸多特點(diǎn)以外，更重要的一點(diǎn)就是大家普遍認(rèn)為該系統(tǒng)具有很好的節(jié)能效果。

　　但是，通過(guò)對(duì)相當(dāng)一部分用戶變頻調(diào)速供水設(shè)備運(yùn)行狀況的長(zhǎng)期觀察和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，圍繞變頻調(diào)速供水設(shè)備是否真正節(jié)能或采用變頻調(diào)速供水系統(tǒng)的用戶是否普遍都有較好的節(jié)能效果這一話題？業(yè)內(nèi)卻又一直存有較大爭(zhēng)議。

　　我們知道，影響變頻調(diào)速供水系統(tǒng)節(jié)能效果的關(guān)鍵因素取決于系統(tǒng)中所選用的變頻調(diào)速供水設(shè)備是否能長(zhǎng)期工作在水泵高效區(qū)。而要做到這一點(diǎn)，又主要取決于以下二個(gè)方面：

　　一、設(shè)計(jì)人員根據(jù)工程項(xiàng)目供水系統(tǒng)實(shí)際情況選用最合適、最匹配、最理想的水泵和水泵機(jī)組根據(jù)水泵相似定律，對(duì)同一臺(tái)水泵的輸出功率與轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程及流量有如下關(guān)系式：

　　從以上公式可以看出：當(dāng)楊程不變時(shí)，水泵出水量減小，轉(zhuǎn)速可同比例下降，其所需軸功率也會(huì)快速下降，能耗大幅降低。 

　　在恒壓變流量供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員通常都是按系統(tǒng)最大設(shè)計(jì)流量選擇水泵。變頻調(diào)速供水設(shè)備實(shí)現(xiàn)節(jié)能的原理就是：當(dāng)工作泵出水小于其額定流量時(shí)，水泵電機(jī)以低于工頻50Hz的頻率運(yùn)行，水泵轉(zhuǎn)速降低，所消耗的功率也相應(yīng)降低，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

　　但是，從泵組實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，水泵和電機(jī)的效率也在變化。通常，在水泵轉(zhuǎn)速100％～60%變化范圍內(nèi)（即水泵出水量在100％～60%變化范圍內(nèi)），水泵和電機(jī)的效率變化幅度不是很大，節(jié)能效果相對(duì)明顯；當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速低于60%時(shí)，水泵和電機(jī)的效率將顯著降低，不節(jié)能或節(jié)能有限；當(dāng)頻率降至25Hz以下時(shí)，水泵不出水、電機(jī)不做功。

　　而設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)供水流量是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程。以城鎮(zhèn)居住小區(qū)為例，其用水高峰據(jù)統(tǒng)計(jì)一般只占全天用水時(shí)間的20％左右，即一天中大多數(shù)時(shí)段用水需求均處于低峰、低谷狀態(tài)，此時(shí)設(shè)備水泵如處于低效率區(qū)運(yùn)行，勢(shì)必造成電能的長(zhǎng)時(shí)間浪費(fèi)。

　　所以，現(xiàn)行《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》、《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施·給水排水》及各大版本《建筑給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》都要求工程設(shè)計(jì)人員在變頻調(diào)速供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇Q――H特性曲線隨流量增加揚(yáng)程逐漸下降、高效區(qū)段流量范圍寬、無(wú)駝峰的水泵，即泵組高效區(qū)流量范圍與系統(tǒng)日常運(yùn)行過(guò)程中的流量變化范圍之比例相協(xié)調(diào)。從而使泵組工作穩(wěn)定，在多臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)安全可靠，并達(dá)到較好的節(jié)能效果。

　　不過(guò)，令廣大建筑給排水設(shè)計(jì)人員深感為難的是，設(shè)計(jì)采用變頻調(diào)速供水系統(tǒng)的工程項(xiàng)目很多，地域分布范圍又廣，項(xiàng)目和項(xiàng)目之間的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)千差萬(wàn)別，每個(gè)項(xiàng)目供水系統(tǒng)每年、每季、每月、每天的用水工況都在變化，要選擇到泵組高效區(qū)流量范圍與系統(tǒng)日常使用過(guò)程中的流量變化范圍基本吻合的變頻調(diào)速泵組并非易事，實(shí)際上難以做到。

　　二、研發(fā)高效區(qū)范圍更寬、效率更高、更加節(jié)能的變頻調(diào)速供水設(shè)備

　　自二十世紀(jì)末開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外知名度較高的多家變頻調(diào)速供水設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)針對(duì)用戶實(shí)際運(yùn)行中存在的不節(jié)能或節(jié)能有限的實(shí)際情況，都投入了大量的人力、物力和財(cái)力，潛心研發(fā)高效區(qū)范圍更寬、效率更高、更加節(jié)能的變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備。而且取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和驕人的業(yè)績(jī)。

　　1、進(jìn)一步提高水泵效率是一條捷徑，但很可惜基本已無(wú)潛力可挖

　　從1875年至今的130多年時(shí)間里，為了不斷提高離心泵的效率，世界水泵研發(fā)制造行業(yè)的精英們做出了艱苦的努力。時(shí)至今日，想要再?gòu)恼w上提高離心泵效率的空間已很微小，哪怕是僅僅提高1％，也似空中樓閣，難以如愿。

　　2、千方百計(jì)提高泵組電機(jī)效率

　　當(dāng)變頻調(diào)速泵組電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處在低于50Hz 較多的頻率下運(yùn)行時(shí)，泵組運(yùn)行工況實(shí)際上已偏離泵組高效區(qū)段，在非相似工況下的低效率區(qū)范圍工作，其功率消耗也不再遵從與電機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比的計(jì)算公式，泵組效率大大降低，且此時(shí)電機(jī)容易發(fā)熱，引起軸承潤(rùn)滑油脂熔化流失，導(dǎo)致噪音增大、電機(jī)使用壽命降低。

　　鑒于上述原因，業(yè)類很多廠家紛紛采用更加先進(jìn)的電機(jī)材料和高效的電機(jī)形式，減少電機(jī)發(fā)熱能耗損失，從而達(dá)到提高整機(jī)效率的目的。

　　3、改變傳統(tǒng)變頻調(diào)速控制方式，采用數(shù)字集成全變頻控制技術(shù)，使變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備在系統(tǒng)任何流量工況都同樣具有明顯的節(jié)能效果。

　　變頻調(diào)速供水設(shè)備主要是由泵組、管路系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)三大部分組成的?；仡欁冾l調(diào)速供水設(shè)備的發(fā)展歷程，在著眼最大限度提高泵組效率的同時(shí)，還得益于近三十年來(lái)電氣控制元器件的多次更新?lián)Q代，其泵組電氣控制技術(shù)也先后經(jīng)歷了三個(gè)主要發(fā)展階段。

　?。?）早期采用由通用變頻器、PLC控制器和繼電器控制電路組成的變頻調(diào)速控制技術(shù)（即早期單變頻控制技術(shù)）

　　早期（第一階段）變頻調(diào)速供水設(shè)備采用的電氣控制技術(shù)是在傳統(tǒng)工頻運(yùn)行水泵繼電器控制電路的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)變頻器和一個(gè)PLC可編程控制器，即由通用變頻器、PLC可編程控制器和大量的開(kāi)關(guān)、繼電器、交流接觸器、各類連接導(dǎo)線等觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)類電氣元器件和體積龐大的控制柜組成（見(jiàn)圖1）。

圖1  早期PLC單變頻控制柜

　　這種控制系統(tǒng)中的PLC可編程控制器、通用變頻器雖然能使泵組根據(jù)系統(tǒng)流量變化變頻調(diào)速運(yùn)行，但因受水泵自身高效區(qū)范圍較窄制約，使變頻泵只在出水量100％～60% 變化區(qū)段有較明顯節(jié)能效果；水泵的啟動(dòng)和停止依然要完全依靠繼電器電路來(lái)控制，水泵的運(yùn)行也只能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟停和手動(dòng)應(yīng)急啟停；且其控制電路自身控制元器件多、觸點(diǎn)切換容易產(chǎn)生故障、電路元器件發(fā)熱產(chǎn)生較大能耗（約為水泵電機(jī)額定功率的3％～5％），控制柜體積大；設(shè)備調(diào)試操作技術(shù)要求高、需專業(yè)人員根據(jù)系統(tǒng)工況的不同現(xiàn)場(chǎng)獨(dú)立編程、整機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化程度較低、不利于售后的維護(hù)和維修；設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中隨著系統(tǒng)用水量的增加，水泵在變頻——工頻轉(zhuǎn)換（即加泵）時(shí)，新投入運(yùn)行的水泵從零流量至變頻軟啟動(dòng)正常供水通常會(huì)存在一個(gè)時(shí)間差（36s～180s），引起系統(tǒng)流量和水壓的波動(dòng)，給用戶正常使用帶來(lái)影響。

　　由于存在上述不足，加上變頻器當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)不能生產(chǎn)，進(jìn)口價(jià)格昂貴，導(dǎo)致這種繼電器電路單變頻控制技術(shù)為新的數(shù)字化電路水泵變頻控制技術(shù)所取代而逐漸退出歷史舞臺(tái)，目前已極少在變頻調(diào)速供水設(shè)備中應(yīng)用了。

　?。?）局部數(shù)字化電氣電路變頻調(diào)速控制技術(shù)（即中期單變頻、多變頻控制技術(shù)）

　　中期（第二階段）采用的由一臺(tái)或多臺(tái)通用變頻器、內(nèi)置PID技術(shù)的水泵專用半導(dǎo)體數(shù)字集成控制器（見(jiàn)圖2）組成的泵組電氣控制電路替代早期由通用變頻器、PLC可編程控制器、觸摸屏、PLC功能擴(kuò)展模塊、繼電器元件、連接導(dǎo)線組成的繼電器控制電路。即由半導(dǎo)體數(shù)字集成控制電路取代繼電器控制電路。

圖2  半導(dǎo)體數(shù)字集成控制器

　　與早期采用由一臺(tái)通用變頻器、PLC控制器和繼電器控制電路組成的單變頻電氣控制技術(shù)相比，這一技術(shù)的顯著進(jìn)步是：

　　它通過(guò)內(nèi)置PID數(shù)字集成控制技術(shù)把水泵變頻與控制有可能用到的所有功能集成在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字集成控制器內(nèi)，從而減少了繼電器等電氣元器件，觸點(diǎn)少，故障率大為降低，提高了整機(jī)運(yùn)行安全性、可靠性；

　　它采用菜單式液晶顯示和內(nèi)置程序方式，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度得到提高，設(shè)備維護(hù)管理更加便捷、更加人性化，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員現(xiàn)場(chǎng)編程，大大減少設(shè)備調(diào)試工作中人為因素的影響。

　　這一技術(shù)尚存在的不足和缺點(diǎn)是：同第一階段的變頻調(diào)速供水設(shè)備的控制原理一樣是通過(guò)一個(gè)變頻器（單變頻）及相關(guān)的電氣元器件組成的控制回路，根據(jù)系統(tǒng)流量變化實(shí)現(xiàn)加泵或減泵，再通過(guò)工頻、變頻切換的方式達(dá)到控制一套泵組的目的。即使是為設(shè)備的每臺(tái)工作水泵分別配置有變頻器（多變頻），它的運(yùn)行模式還是這種方式，只是解決了在每臺(tái)水泵啟動(dòng)、停止時(shí)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，有利于消除水錘現(xiàn)象。但整套設(shè)備還是只有一個(gè)控制系統(tǒng)（如圖3）。泵組中的變頻泵有不在水泵效率區(qū)的運(yùn)行工況存在，需要用最低運(yùn)行頻率（25Hz）去越過(guò)此工況點(diǎn)，使水泵在效率區(qū)段運(yùn)行，能耗浪費(fèi)仍然存在（如圖4）。

　?。?）數(shù)字集成全變頻控制技術(shù)（即近期全變頻控制技術(shù)）

　　為了從根本上克服這一技術(shù)的以上不足，實(shí)現(xiàn)在一臺(tái)變頻供水設(shè)備中使用二套或二套以上且相互聯(lián)動(dòng)的獨(dú)立多控制系統(tǒng)來(lái)提高泵組運(yùn)行的安全性和可靠性，無(wú)論系統(tǒng)工況流量如何變化，設(shè)備中的工作水泵始終能在高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行，并且不會(huì)出現(xiàn)能耗浪費(fèi)現(xiàn)象，韓國(guó)杜科株式會(huì)社經(jīng)過(guò)多年的潛心攻關(guān)，終于研發(fā)成功當(dāng)今世界上先進(jìn)的全數(shù)字化集成電路水泵專用變頻控制器。

　　近期（第三階段）采用數(shù)字集成全變頻控制技術(shù)研發(fā)成功的水泵專用數(shù)字集成變頻控制器（見(jiàn)圖5）具有智能化程度高、擴(kuò)展功能強(qiáng)、自身能耗小、安全可靠、操作便捷等顯著特點(diǎn)，將其成功應(yīng)用于建筑二次供水領(lǐng)域，是變頻調(diào)速供水設(shè)備控制技術(shù)研發(fā)進(jìn)程中的關(guān)鍵突破和重大創(chuàng)舉。

圖5  水泵專用數(shù)字集成全變頻控制器

　　水泵專用數(shù)字集成變頻控制器既是變頻器，又是控制器，整套供水設(shè)備無(wú)需再設(shè)控制柜；設(shè)備中的每臺(tái)水泵（主泵、備用泵、小流量泵）均配置有專用變頻控制器；每臺(tái)水泵配置的變頻控制器既相互獨(dú)立又相互聯(lián)動(dòng)，使整套設(shè)備具有多個(gè)與水泵一對(duì)一相互匹配的變頻和控制大腦，設(shè)備中所有水泵共享系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，聯(lián)動(dòng)均衡運(yùn)行，克服工作水泵不在高效區(qū)運(yùn)行現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)真正意義上的全變頻控制運(yùn)行；數(shù)字集成全變頻控制恒壓供水設(shè)備具有智能化程度更高、擴(kuò)展功能更強(qiáng)、自身能耗更小、更加高效、更加節(jié)能、更加安全可靠、操作更加便捷等顯著特點(diǎn)。

　　經(jīng)幾年來(lái)的比較測(cè)試和工程應(yīng)用實(shí)例數(shù)據(jù)積累，數(shù)字集成全變頻控制恒壓供水設(shè)備（見(jiàn)圖6）較普通恒壓變頻供水設(shè)備節(jié)能率可提高12％～30％，效果十分明顯。

圖6  數(shù)字集成全變頻控制恒壓供水設(shè)備

　　數(shù)字集成全變頻控制恒壓供水設(shè)備節(jié)能效果的大幅度提升主要是通過(guò)以下幾個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)的。

　?、偃冾l運(yùn)行設(shè)備中的每臺(tái)水泵其高效區(qū)流量范圍可從額定流量的100％～60% 延伸到100％～50%；

　　圖7為設(shè)備單泵額定流量20m³／h，單泵功率4kW，共3臺(tái)水泵在系統(tǒng)供水流量為48m³／h時(shí)的全變頻與單變頻控制實(shí)測(cè)能耗數(shù)據(jù)比較，消耗功率降低1.895 kW／h。

圖7  數(shù)字集成全變頻恒壓供水設(shè)備與普通單變頻恒壓供水設(shè)備能耗測(cè)試比較

　　下表是單泵額定流量Q＝20m³／h、單泵功率N＝4kW，共3臺(tái)水泵的同一套供水設(shè)備，在系統(tǒng)工況條件完全一致的前提下，供水流量在20m³／h ～52m³／h區(qū)間采用全變頻與單變頻控制的實(shí)測(cè)能耗數(shù)據(jù)比較：

　　通過(guò)上表的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)我們可以清楚看出：由3臺(tái)杜科DRL工作泵組成的供水設(shè)備，系統(tǒng)從小流量20m³／h到大流量52m³／h區(qū)間運(yùn)行，全變頻與單變頻相比，最高節(jié)能率達(dá)到31%，最低節(jié)能率也達(dá)到3.2%；在8個(gè)流量區(qū)段連續(xù)運(yùn)行，采用數(shù)字集成全變頻控制比采用PLC 單變頻控制更節(jié)能，平均節(jié)能率為12.3%。

　?、谠O(shè)備在多工作泵全變頻運(yùn)行時(shí)采用效率均衡運(yùn)行模式，達(dá)到更理想的節(jié)能效果（見(jiàn)圖8、圖9）。

　?、?當(dāng)用戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)用水量較小、需配置的工作泵流量小于等于10m³／h時(shí)，設(shè)備一般按2臺(tái)額定流量相同的水泵配置，并設(shè)置成互為備用、全變頻運(yùn)行方式。

　　④ 當(dāng)用戶用水量不均衡且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、系統(tǒng)低谷用水量偏離單工作泵高效區(qū)較多且又超過(guò)設(shè)備配置的小型氣壓水罐供水能力時(shí)，增加配置小型水泵在低谷用水量時(shí)變頻輔助運(yùn)行，以避免主工作泵頻繁啟動(dòng)，保證系統(tǒng)供水平穩(wěn)，進(jìn)一步降低設(shè)備整機(jī)運(yùn)行能耗。

　?、?控制系統(tǒng)中元器件和電氣線路的自身電能損耗大幅度減少。

　　把變頻器和控制器集成為一體的水泵專用變頻控制器不需要 PLC 可編程控制器，不需要繼電器電路，不需要另配通用變頻器，也沒(méi)有了體積龐大的控制柜，使控制系統(tǒng)中元器件及電氣線路的自身能耗大幅度降低 。

　　數(shù)字集成全變頻控制恒壓供水設(shè)備應(yīng)用前景十分廣闊。除廣泛應(yīng)用于新建項(xiàng)目的建筑二次供水系統(tǒng)以外，還可用于上世紀(jì)九十年代采用早期單變頻控制技術(shù)的變頻調(diào)速供水設(shè)備老舊泵房的節(jié)能改造，以及工業(yè)給水、空調(diào)暖通循環(huán)供水系統(tǒng)等。

　　2010年，沈陽(yáng)自來(lái)水公司大北泵站節(jié)能改造項(xiàng)目經(jīng)過(guò)多方面比較，采用上海中韓杜科泵業(yè)制造有限公司數(shù)字集成全變頻控制恒壓供水設(shè)備，改造前實(shí)測(cè)最高日耗電量321kW／h，改造后實(shí)測(cè)日耗電量?jī)H140kW／h，是最具代表性的成功案例。

　　2014年3月20日，我們從意大利米蘭歐洲國(guó)際水展上獲悉：歐盟已要求其成員國(guó)現(xiàn)階段單泵功率11kW以上供水設(shè)備的每臺(tái)水泵必須一對(duì)一配置數(shù)字集成全變頻控制裝置；從2017年1月開(kāi)始，要求單泵功率 11kW 及以下供水設(shè)備的每臺(tái)水泵也必須一對(duì)一配置數(shù)字集成全變頻控制裝置，以實(shí)現(xiàn)全部用戶增壓供水設(shè)備的每臺(tái)水泵均為變頻調(diào)速運(yùn)行，大幅度降低水泵運(yùn)行能耗。

　　為了推動(dòng)數(shù)字集成全變頻控制恒壓供水設(shè)備在我國(guó)的快速推廣和廣泛應(yīng)用，由悉地國(guó)際設(shè)計(jì)顧問(wèn)（深圳）有限公司和上海中韓杜科泵業(yè)制造有限公司共同主編的中國(guó)工程建設(shè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)字集成全變頻控制恒壓供水設(shè)備應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》即將出版發(fā)行。