高层建筑PLC控制的恒压供水系统的设计(2)

H3 摩擦损失 H2 全 实际扬程 扬程HT(m)水压 HB(m) 泵 H1 L0 水面 H0 吸入口 图2-1 供水系统的基本模型

a)全扬程的概念 b)基本模型

图中：

L0—— 水泵中心位置；h0—— 吸水口水位；h1—— 水平面水位；h2—— 管道最高处

水位；h3—— 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h3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m/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HB 供水系统中，实际的最高水位h2与最低水位h1之间的水位差，即供水系统

3

实际提高的水位。即：HB=h2-h1；

4．全扬程HT 水泵能够泵水上扬的最高水位h3与吸入口的水位h0之间的水位差。全扬程的大小说明了水泵的泵水能力。即：HT=h3-h0；

5．损失扬程HL 全扬程与实际扬程之差，即为损失扬程。HB,HT,HL之间的关系是：

HT=HB+HL。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。

2.2 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2-2。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2-2中：

曲线①——额定转速nN时的扬程特性曲线；

曲线②——转速n1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。

HTH0④ HEHN A ③ N ① HC HB B ② O N QE Q

图2-2 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HT?f(Q)，称为扬程特性曲线。不同转速下，扬程特性曲线不同，图2-2中的曲线

①、②分别对应于转速nN、n1，且nN＞n1。

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QU表示。

用水量一定时，即QU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HT?f(Q)，

称为管阻特性曲线。不同阀门开度，管阻特性曲线不同，图2-2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QG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QG和

QU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QG接近于0时，所需的扬程等于实际扬程（HT?HB）。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2-2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PG（kW)称为供水功率，供水功率与流量和扬程的乘积成正比

PG?CPHrQ （2-1）

式中CP一一比例常数。

2.3 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QG表示)和用水需求(由用水流量QU表示)之间的平衡情况有关。

若供水能力QG＞用水需求QU，则压力P上升； 若供水能力QG＜用水需求QU，则压力P下降； 若供水能力QG= 用水需求QU，则压力P不变。

可见 ，流体压力P的变化反映了供水能力与用水需求QU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。

将来用户需求发生变化时，需要对供水系统做出调节，以适应流量的变化。这种调节就是以压力恒定为前提来实现的。常用的调节方式有阀门控制法和转速控制法两种。

(1) 阀门控制法

转速保持不变，通过调节阀门的开度大小来调节流量。

实质是水泵本身的供水能力不变，而通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量大小，以适应用户对流量的需求。这时的管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。

(2) 转速控制法

阀门开度保持不变，通过改变水泵的转速来调节流量。

实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的需求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。

2.4 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转速公式

n?n1(1?s)?式中

60f(1?s) (2-2) pn1一一异步电动机的同步转速，r/min；

n一一 异步电动机转子转速，r/min； p一一 异步电动机磁极对数；

f一一 异步电动机定子电压频率，即电源频率；

s一一 转差率 ，s?n1?n×100%。 n1由式（2-2）可知调速方法有变极调速、变转差调速和变频调速。 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

PCu2?3I2'2r2'?sPem (2-3)

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。

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