常低溫恒溫恒壓供水系統(tǒng)的研制

張海強(qiáng) 黃克欽 歐陽榮開

（順德出入境檢驗(yàn)檢疫局 廣東順德 508303）

常低溫恒溫恒壓供水系統(tǒng)的研制

張海強(qiáng) 黃克欽 歐陽榮開

（順德出入境檢驗(yàn)檢疫局 廣東順德 508303）

通過研究分析國內(nèi)外燃?xì)鉄崴鳂?biāo)準(zhǔn)中的測試用水要求，研制了一套常低溫恒溫恒壓供水系統(tǒng)，可有效控制水溫、水壓及其波動(dòng)，保證檢測結(jié)果準(zhǔn)確度。

燃?xì)鉄崴?；常低溫；恒溫恒壓；供水系統(tǒng)

1 引言

目前國際上燃?xì)鉄崴鳈z測無通用標(biāo)準(zhǔn)可參考執(zhí)行，各個(gè)重要國家地區(qū)的燃?xì)鉄崴鳂?biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)不同，技術(shù)要求差異較大。中國、歐盟、美國、日本等重點(diǎn)國家地區(qū)均制訂了自己的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)法規(guī)[1-6]，在測試實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)要求上，供水系統(tǒng)的要求較嚴(yán)格，既要能提供常溫和低溫水，還要能控制供水壓力，并控制其波動(dòng)性。國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均有明確的試驗(yàn)用水條件要求，但標(biāo)準(zhǔn)中并未明確供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。本文通過綜合分析國內(nèi)外燃?xì)鉄崴靼踩珮?biāo)準(zhǔn)的相關(guān)技術(shù)要求，研制一種適用于多個(gè)國內(nèi)外燃?xì)鉄崴靼踩珮?biāo)準(zhǔn)的常低溫恒溫恒壓供水系統(tǒng)。

2 總體設(shè)計(jì)方案

本常低溫恒溫恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要有：

（1）供水水溫5℃～35℃，供水壓力0.05～0.5MPa，連續(xù)可調(diào)；

（2）出水溫度波動(dòng) ±0.5℃/min，出水壓力波動(dòng) ±2.5%壓力設(shè)定值；

（3）提供多種水位容量選擇；

（4）可實(shí)現(xiàn)常溫水100L/min流量下的不間斷供水；

（5）同時(shí)具備近端控制和遠(yuǎn)程控制交互控制功能。

3 整體結(jié)構(gòu)部分

本項(xiàng)目研制的常低溫恒溫恒壓供水系統(tǒng)主要用于為各種熱水器測試提供恒定水溫、恒定壓力的試驗(yàn)用水；配備有2個(gè)常溫水箱和1個(gè)低溫冷水箱；兩個(gè)常溫水箱功能相同，可交替為常溫試驗(yàn)供水，均設(shè)置有25%、50%、75%、100%箱水的運(yùn)行功能，其中1個(gè)常溫水箱可以為低溫冷水箱，進(jìn)行初步制冷；試驗(yàn)用常溫水由自來水加熱或制冷后提供，5℃低溫冷水由制冷機(jī)在常溫水基礎(chǔ)上進(jìn)一步制冷獲取，也可直接在自來水基礎(chǔ)上制冷獲取；符合試驗(yàn)溫度的水通過高壓離心水泵壓入實(shí)驗(yàn)室內(nèi)供水管道，再通過每個(gè)試驗(yàn)工位的水減壓閥調(diào)節(jié)至試驗(yàn)用水壓力，供給試樣試驗(yàn)，試驗(yàn)后用水不再回收。

圖1 主體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 水路管路系統(tǒng)圖

供水系統(tǒng)硬件部分主要包括：斷路器、相序保護(hù)器、接觸器、繼電器、固態(tài)繼電器三相、電磁閥、開關(guān)電源、可編程控制器、擴(kuò)展模塊、AD模塊、DA模塊、溫度模塊、變頻器、人機(jī)操作界面、離心水泵、不銹鋼常溫水箱、常溫水冷水機(jī)組、冷卻水塔、壓力表、液位開關(guān)、電力調(diào)整器、不銹鋼電熱管、5℃低溫水冷水機(jī)組、不銹鋼低溫水箱等。軟件部分主要包括可編程控制器PLC的程序設(shè)計(jì)和觸摸屏人機(jī)操作界面的程序設(shè)計(jì)。

供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制相結(jié)合的操作方式。手動(dòng)控制用于調(diào)節(jié)管路閥門、設(shè)置參數(shù)、監(jiān)控界面工作數(shù)值、啟動(dòng)停止等；自動(dòng)控制用于完成整個(gè)試驗(yàn)用水的恒溫處理和恒壓供水，例如按邏輯順序通斷氣路電磁閥、水路電磁閥、按設(shè)置參數(shù)自動(dòng)循環(huán)水進(jìn)行冷卻或加熱等操作。

供水系統(tǒng)的常溫水部分布置在1樓房間內(nèi)，可輸出10℃～35℃試驗(yàn)用水，系統(tǒng)中2個(gè)不銹鋼儲(chǔ)水箱（單個(gè)容積2m3）、8條加熱管、2套冷水機(jī)組、電氣箱、近端控制面板等封裝成一個(gè)長方體箱體（箱體尺寸3800mm×1750mm×2100mm）固定在槽鋼底架上，通過水路管路系統(tǒng)與箱體外臥式循環(huán)水泵、立式供水泵、冷卻塔等相連接，冷卻塔布置在實(shí)驗(yàn)大樓室外地面上。供水系統(tǒng)低溫水部分布置在3樓實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，可輸出5℃～10℃試驗(yàn)用水，包括1套低溫冷水機(jī)組和1個(gè)不銹鋼儲(chǔ)水箱（容積0.3m3）。遠(yuǎn)程控制面板固定在3樓實(shí)驗(yàn)室檢測臺(tái)旁邊，方便操作人員操作使用并實(shí)時(shí)監(jiān)控，控制面板主要由觸摸屏、啟動(dòng)、停止開關(guān)等構(gòu)成，觸摸屏內(nèi)集成了水溫、水壓、水量容積等參數(shù)指標(biāo)以及工作、停止、異常等指示信息。主箱體結(jié)構(gòu)見圖1。

在水路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，整個(gè)水路系統(tǒng)主要分為常溫水系統(tǒng)和5℃低溫水系統(tǒng)，均包括進(jìn)水管路、循環(huán)水管路、供水管路、排水管路幾種管路。常溫水系統(tǒng)主要由不銹鋼水箱、水泵、制冷冷水機(jī)組、恒溫冷水機(jī)組、冷卻水塔、電磁閥、液位開關(guān)、熱電偶、壓力傳感器等構(gòu)成，自來水向儲(chǔ)水箱注水至設(shè)定水位后，液位開關(guān)產(chǎn)生信號(hào)自動(dòng)停止注水并顯示水位已達(dá)到，在遠(yuǎn)程設(shè)置好所需水溫和水壓后，即可進(jìn)行恒溫啟動(dòng)操作。系統(tǒng)通過智能判斷所設(shè)定水溫與實(shí)際水溫大小關(guān)系后自動(dòng)進(jìn)行制冷或加熱工作，同時(shí)循環(huán)水泵啟動(dòng)，加快水箱內(nèi)水循環(huán)，使水溫逐漸趨向均勻。待水溫達(dá)到設(shè)定水溫后，水溫傳感器產(chǎn)生信號(hào)停止制冷，冷水機(jī)組工作切換至恒溫冷水機(jī)組工作，同時(shí)提示可進(jìn)行供水啟動(dòng)，在立式離心水泵加壓達(dá)到設(shè)定水壓后，水壓傳感器產(chǎn)生信號(hào)打開供水電磁閥，常溫水即供至實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。低溫水系統(tǒng)主要由不銹鋼水箱、水泵、冷水機(jī)組、電磁閥、液位開關(guān)、熱電偶等構(gòu)成，工作原理同上。常溫水冷水機(jī)組采用了1臺(tái)功率25HP和1臺(tái)功率12.5HP的水冷開放式工業(yè)冷水機(jī)，共配備3臺(tái)全封閉渦旋壓縮機(jī)，并應(yīng)用了壓縮機(jī)多機(jī)聯(lián)用技術(shù)。供水系統(tǒng)的水路管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)見圖2。

圖3 電氣原理圖（供水）

圖4 電氣原理圖（制冷）

圖5 電氣原理圖（加熱）

圖6 電氣原理圖（低溫部分）

出水管道壓力監(jiān)控使用了壓力變送器，量程：0～1.6MPa，精度：0.5%F.S，輸出：4～20mA，供電DC24V。其輸出電流信號(hào)為可編程控制器PLC的模擬量輸入模塊的輸入信號(hào)，經(jīng)過PLC的邏輯判斷，再由PLC的模擬量輸出模塊傳送至變頻器，從而控制變頻器輸出頻率。驅(qū)動(dòng)供水水泵的變頻器工作頻率的控制方式：變頻器由壓力傳感器控制供水水泵工作頻率，從而實(shí)現(xiàn)“壓力→頻率”的閉環(huán)控制。

恒溫恒壓供水系統(tǒng)的控溫部件采用了電加熱管和水冷式冷水機(jī)組。儲(chǔ)水箱內(nèi)水溫的控溫部件采用了PT100鉑熱電阻溫度傳感器，測量精度高，性能穩(wěn)定，其信號(hào)作為PLC溫度擴(kuò)展模塊的輸入。通過PID控制，經(jīng)過調(diào)節(jié)比例參數(shù)P、積分時(shí)間I、微分時(shí)間D的各個(gè)參數(shù)的數(shù)值，調(diào)節(jié)電熱管的加熱功率，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的出水溫度快速調(diào)節(jié)和穩(wěn)定控制。

4 電氣控制部分

本恒溫恒壓供水系統(tǒng)采用PLC控制，觸摸屏顯示和設(shè)定。系統(tǒng)具備壓縮機(jī)過熱、過流、超壓保護(hù)，可調(diào)式超溫報(bào)警，電機(jī)過熱保護(hù)，防干燒保護(hù)，缺水保護(hù)，溢流保護(hù)、電源相序和缺相保護(hù)、漏電保護(hù)、過載及短路保護(hù)等安全保護(hù)措施。水箱及管路均采取了完善的保溫措施，可保證工作期間出水口處水溫波動(dòng)不大于±0.5℃/ min?？刂葡到y(tǒng)主要采用了斷路器、相序保護(hù)器、接觸器、PLC、開關(guān)電源、電機(jī)、熱電偶傳感器、繼電器、電力調(diào)整器、接觸器、電磁閥、壓力變送器、液位開關(guān)、變頻器、觸摸屏等控制部件，內(nèi)置有控制程序可按使用要求進(jìn)行自動(dòng)制冷或加熱操作，穩(wěn)定可靠、精度較高。本恒溫恒壓供水系統(tǒng)電氣原理圖見圖3～圖7。

本項(xiàng)目采用了繼電器輸出型的可編程控制器PLC，可擴(kuò)展為帶模擬量、通信等功能的系統(tǒng)。其輸出回路采取機(jī)械隔離措施，在輸出繼電器的線圈和觸點(diǎn)之間，PLC內(nèi)部回路和外部的負(fù)載回路之間采取了電氣上的隔離，并于與各公共端部分之間也相互隔離。該設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是采用繼電器型的可編程控制器PLC，采取了隔離措施，從而保證了系統(tǒng)工作狀態(tài)下的可靠性，此外在電熱器的電氣控制上采用了電力調(diào)整器，可增加使用壽命。

5 總結(jié)

上述設(shè)計(jì)制造的常低溫恒溫恒壓供水系統(tǒng)經(jīng)過試用，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，其通過自動(dòng)控制可視化界面操作，方便易用、性能穩(wěn)定、適用性好，可滿足多個(gè)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的供水要求，并提高測試效率，具備良好的行業(yè)應(yīng)用前景。

圖7 電氣原理圖（PLC部分）

[1]GB 25034-2010 燃?xì)獠膳療崴疇t [S].

[2]EN 26:2006 Gas-fired instantaneous water heaters for the production of domestic hot water, fitted with atmospheric burners [S].

[3]EN 483:1999+A4:2007 Gas-fired central heating boilers Type C boilers of nominal heat input not exceeding 70 kW [S].

[4]ANSI Z21.10.3-2004 Gas Water Heaters - Volume III - Storage Water Heaters with Input Ratings Above 75,000 Btu per Hour, Circulating and Instantaneous-Third Edition [S].

[5]CJ/T 3075.1-1998 燃?xì)馊紵骶邔?shí)驗(yàn)室-技術(shù)通則 [S].

[6]GB 20665-2006 家用燃?xì)饪焖贌崴骱腿細(xì)獠膳療崴疇t 能效限定值及能效等級(jí) [S].

The development of constant temperature and constant pressure water supply system

ZHANG Haiqiang HUANG Keqin OUYANG Rongkai
（Shunde Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau Shunde 528303）

A set of constant temperature and constant pressure water supply system are developed by analyzing the testing water requirements for gas-fired water heaters of domestic and foreign standards，which can effectively control the water temperature, water pressure and its fluctuation, and ensure the accuracy of the test result.

Gas-fired water heaters; Normal-low temperature; Constant temperature and constant pressure; Water supply system