恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)應(yīng)用概述

■ 河北省邯鄲市自來(lái)水公司 盧濤

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)生活飲用水品質(zhì)的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)已逐漸取代原有的水塔供水系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)生活消防供水系統(tǒng)。然而，由于新系統(tǒng)多會(huì)繼續(xù)使用原有系統(tǒng)的部分舊設(shè)備，所以，此技術(shù)用在對(duì)原有系統(tǒng)的改造過(guò)程中，既可以體現(xiàn)變頻控制恒壓供水的優(yōu)勢(shì)，又可以盡量保留原有的設(shè)備，有效的節(jié)省了大量的資金，并且可以保證系統(tǒng)的可靠的運(yùn)行。

恒壓供水的基本思路

采用電機(jī)調(diào)速裝置控制水泵組調(diào)速運(yùn)行，并自動(dòng)調(diào)整水泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)能的目的。系統(tǒng)任意設(shè)定供水壓力值，其與反饋總管的實(shí)際壓力值通過(guò)PID調(diào)節(jié)后控制調(diào)速裝置，以調(diào)節(jié)水泵機(jī)組的運(yùn)行速度，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供水壓力。

恒壓供水技術(shù)采用的調(diào)速裝置基本上都是變頻調(diào)速器。而系統(tǒng)控制器的選用經(jīng)過(guò)了單板機(jī)，單片機(jī)、溫控器、可編程序控制器（PLC）的發(fā)展過(guò)程。PLC控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)目前是恒壓供水控制的主流，它以可靠性高、編程簡(jiǎn)便、靈活性強(qiáng)、系統(tǒng)自動(dòng)化程度高等諸多優(yōu)點(diǎn)而受到普遍歡迎。PLC不僅可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID調(diào)節(jié)功能，并可完成水泵組的監(jiān)控、自動(dòng)抽真空、自動(dòng)抽剩余水等一系列控制功能，并可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制，以達(dá)到最佳的節(jié)電效果。

在中小型水廠的管網(wǎng)系統(tǒng)中，由于管網(wǎng)是封閉的，泵站供水的流量由用戶的用水量決定。泵站供水的壓力以滿足管網(wǎng)中壓力最不利點(diǎn)的用戶的用水要求為前提。而管網(wǎng)從泵站到壓力最不利點(diǎn)的壓力損失（△H）和流量（Q）之間存在著如下關(guān)系：

△H=k Q2

設(shè)HST為壓力最不利點(diǎn)所需要的最低壓力，則泵站出口總管壓力H按下式的關(guān)系供水，則可滿足用戶的要求，又有最佳的節(jié)電效果：

H=HST+△H=HST+K Q2

因此，供水系統(tǒng)的設(shè)定壓力應(yīng)該根據(jù)流量的變化而改變較為合理。這種恒壓供水技術(shù)稱為變量恒壓供水。采用這種方式供水時(shí)系統(tǒng)必須檢測(cè)泵站的出水流量，在我國(guó)目前的情況下，流量計(jì)的穩(wěn)定性、可靠性和準(zhǔn)確性都不高，用流量作為控制量會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制性能和可靠性產(chǎn)生較大的影響。因此這種調(diào)節(jié)方法在實(shí)際工程中應(yīng)用較少。但流量變化的規(guī)律基本上可以掌握，因此在大多數(shù)場(chǎng)合，都采用時(shí)鐘控制器定時(shí)自動(dòng)改變?cè)O(shè)定壓力的方法來(lái)近似流量的變化規(guī)律。實(shí)踐證明這種分時(shí)可變恒壓供水的方法可以達(dá)到比較理想的控制效果。

在有些場(chǎng)合，考慮到停電時(shí)的供水問(wèn)題，采用恒壓供水系統(tǒng)后還需要保留高位水池。這種情況下由于管網(wǎng)不是全封閉的，不能根據(jù)管網(wǎng)流量的變化來(lái)確定供水壓力。一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定一個(gè)比較合適的供水或根據(jù)高位水池的水位高低來(lái)調(diào)節(jié)供水壓力。

由于變頻器價(jià)格比較昂貴，在恒壓供水技術(shù)改造時(shí)，一般采用一臺(tái)調(diào)速泵和多臺(tái)恒速泵并聯(lián)運(yùn)行。當(dāng)管網(wǎng)流量變化時(shí)，采用開(kāi)停恒速泵進(jìn)行大調(diào)，利用調(diào)速泵進(jìn)行細(xì)調(diào)。調(diào)速泵選擇泵站中的大泵，使調(diào)節(jié)范圍較大。恒速泵的功率以小于調(diào)速泵額定功率的三分之二大于調(diào)速泵額定功率的二分之一為好，這樣既可以保證調(diào)速泵運(yùn)行于高效區(qū)，以提高調(diào)速泵的運(yùn)行效率，又可以保證調(diào)速泵有較寬的調(diào)節(jié)區(qū)域，以減少恒速泵的開(kāi)停。

應(yīng)用實(shí)例

下面以某水廠的PLC控制全自動(dòng)變頻恒壓供水系統(tǒng)為例，來(lái)介紹系統(tǒng)的組成、功能和控制效果。

水廠二級(jí)泵站中有三臺(tái)階25KW大泵和兩臺(tái)132KW小泵。每臺(tái)泵的出口配有電動(dòng)閥。原系統(tǒng)機(jī)組由自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)裝置啟動(dòng)運(yùn)行。管網(wǎng)中有一個(gè)兩千立方米的高位水池。

1．系統(tǒng)組成及功能

系統(tǒng)原理如圖1所示，主要由變頻器、PLC和低壓電氣元件組成。系統(tǒng)與原系統(tǒng)的自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)裝置及閥門(mén)控制器組成一個(gè)整體對(duì)五臺(tái)機(jī)組進(jìn)行自動(dòng)控制。功能如下：

A．五臺(tái)泵可在任何時(shí)候選擇進(jìn)入或退出本控制系統(tǒng)。變頻器可對(duì)三臺(tái)大泵軟啟動(dòng)調(diào)速運(yùn)行，由PLC控制變頻/工頻切換。兩臺(tái)小泵可自動(dòng)通過(guò)啟動(dòng)柜投入系統(tǒng)運(yùn)行。變頻運(yùn)行機(jī)組和對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)柜實(shí)現(xiàn)可靠的電氣和軟件互鎖以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

B．系統(tǒng)根據(jù)總管道的實(shí)際壓力變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器運(yùn)行頻率，自動(dòng)改變投入系統(tǒng)運(yùn)行的機(jī)組，以跟蹤設(shè)定壓力。設(shè)定壓力可根據(jù)時(shí)鐘控制器或高位水池水位的變化來(lái)調(diào)節(jié)。

C．系統(tǒng)有自動(dòng)/手動(dòng)切換功能，和原系統(tǒng)互為備用。

D．系統(tǒng)根據(jù)“先開(kāi)泵后開(kāi)閥，先關(guān)閥后停泵”的原則對(duì)泵出口電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

E．系統(tǒng)設(shè)有超水壓、欠水壓、變頻故障、閥門(mén)故障、清水池溢出等故障的聲光報(bào)警指示和電壓、電流、水位、設(shè)定壓力、反饋壓力、閥門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的指示。

2.基本控制原理

圖2為系統(tǒng)控制原理框圖。

PLC作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部件，完成模擬量的采樣、運(yùn)算和輸出，并完成控制系統(tǒng)的開(kāi)停、大泵的變頻/工頻切換、小泵的自動(dòng)投切、各種工況的監(jiān)控以及各種故障的檢測(cè)、判斷、處理和報(bào)警等任務(wù)。

系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定壓力與反饋壓力的偏差，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器輸出的模擬信號(hào)來(lái)控制作變頻運(yùn)行的機(jī)組的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，從而改變泵的出水流量來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)供水壓力的目的。當(dāng)設(shè)定壓力大于總管道的出水壓力時(shí)，變頻泵的運(yùn)行頻率會(huì)不斷提高。當(dāng)變頻器的運(yùn)行頻率達(dá)到點(diǎn)50HZ，系統(tǒng)便開(kāi)始計(jì)時(shí)。如果200秒內(nèi)變頻泵的運(yùn)行頻率一直維持在50HZ運(yùn)行，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)加泵。加泵時(shí)先加小泵，若系統(tǒng)中無(wú)小泵可加或已有一臺(tái)小泵運(yùn)行時(shí)，便會(huì)加大泵。加泵時(shí)，對(duì)于同容量的機(jī)組，以先切除先投入為原則。加大泵時(shí)，原來(lái)作變頻運(yùn)行的機(jī)組切換到工頻運(yùn)行，后加入的機(jī)組由變頻器軟起動(dòng)并作變頻運(yùn)行。

當(dāng)設(shè)定壓力小于總管出水壓力時(shí)，變頻器運(yùn)行頻率會(huì)不斷下降。當(dāng)變頻器的運(yùn)行頻率小于設(shè)定的減泵下限頻率時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)時(shí)。如果15.0秒內(nèi)變頻器的運(yùn)行頻率一直維持在系統(tǒng)設(shè)定的減泵下限頻率以下，系統(tǒng)便自動(dòng)減一臺(tái)泵。減泵時(shí)以先投入先切除為原則，先減小泵再減大泵。系統(tǒng)中沒(méi)有作工頻運(yùn)行的泵時(shí)。系統(tǒng)不作減泵操作。

系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，保證任何時(shí)候有一臺(tái)大泵作變頻運(yùn)行。如果系統(tǒng)剛運(yùn)行或原變頻機(jī)組由自動(dòng)轉(zhuǎn)手動(dòng)而使系統(tǒng)中沒(méi)有機(jī)組作變頻運(yùn)行，系統(tǒng)將先尋找處于自動(dòng)狀態(tài)下且沒(méi)有運(yùn)行的大機(jī)組作變頻運(yùn)行。如果沒(méi)有這樣的機(jī)組，系統(tǒng)便會(huì)去尋找一臺(tái)處于自動(dòng)狀態(tài)下作工頻運(yùn)行的機(jī)組，將其停機(jī)后再變頻起動(dòng)運(yùn)行。這兩種狀態(tài)的機(jī)組都沒(méi)找到，說(shuō)明所有大泵均處于手動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)會(huì)一直等待，直到有大泵由手動(dòng)投入自動(dòng)系統(tǒng)。

3.控制方式

系統(tǒng)根據(jù)壓力設(shè)定方法的不同，有兩種工作方式，可供用戶選擇：

1）分時(shí)控制方式。系統(tǒng)根據(jù)日供水量的變化規(guī)律，分時(shí)段由三檔壓力供水。時(shí)段的劃分由用戶完成，并存入PLC中。PLC中設(shè)有時(shí)鐘控制器，可根據(jù)時(shí)間自動(dòng)切換不同設(shè)定壓力檔。根據(jù)冬天和夏天供水量變化規(guī)律的不同，時(shí)段的劃分也已作了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。三檔壓力的設(shè)定值可由操作人員通過(guò)電位器方便地調(diào)整。時(shí)段劃分如下：

夏季——七、八、九月（夏季用水高峰）

Ⅰ檔壓力：05：00—09：00、11：00—15：00、17：00—24：00（夏季用水量較多時(shí)）

Ⅱ檔壓力：09：00—11：00、15：00—17：00

Ⅲ檔壓力：00：00—05：00（夏季用水量較少時(shí)）

冬季——除七、八、九月以外的時(shí)間（冬季用水量偏少）

Ⅰ檔壓力：06：00—09：00、11：00—14：00、17：00—22：00（冬季用水量較多時(shí)）

Ⅱ檔壓力：09：00—11：00、14：00—17：00、22：00—24：00

Ⅲ檔壓力：23：00—06：00（冬季用水量較多時(shí)）

2）水位調(diào)節(jié)方式。系統(tǒng)的壓力設(shè)定值由Ⅰ檔壓力設(shè)定電位器來(lái)調(diào)節(jié)，并根據(jù)清水池的水位按以下規(guī)律作修正：

P=P-H/Ho(Po - PMIN)

式中： P——實(shí)際設(shè)定壓力值

Po——I檔壓力設(shè)定電位器的設(shè)定值（供水壓力上限設(shè)定值）

H——水池實(shí)際水位高度

Ho——水池水位上限設(shè)定值

PMIN ——供水壓力下限設(shè)定值

當(dāng)水池水位增高時(shí)，實(shí)際供水壓力會(huì)隨之下降，水池水位達(dá)到上限時(shí)，供水壓力達(dá)到壓力下限（此時(shí)管網(wǎng)的水應(yīng)該揚(yáng)不到水池中）。反之，當(dāng)水池水位降低時(shí)，實(shí)際供水壓力會(huì)隨之升高，水池水位高度為零時(shí)，供水壓力達(dá)到壓力上限。對(duì)水池水位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控，省去了原來(lái)的值班人員。

本系統(tǒng)使生產(chǎn)自動(dòng)化程度大大提高，操作方便，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低。由于系統(tǒng)智能程度高，功能齊全。給系統(tǒng)的維護(hù)和檢修也帶來(lái)了極大的方便。運(yùn)行穩(wěn)定可靠，供水質(zhì)量明顯提高，可使用戶投訴減少。由于供水壓力穩(wěn)定，調(diào)整方便，有效地控制了由供水壓力過(guò)高引起的管漏和爆管現(xiàn)象。據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)測(cè)算，節(jié)電效果非常顯著，噸水單耗省電達(dá)20%，有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

目前中小型泵站的控制設(shè)備普遍比較落后，自動(dòng)化程度低下，工人的素質(zhì)相對(duì)較低。根據(jù)現(xiàn)狀和我國(guó)對(duì)這類水廠的技改要求，在中小型水廠應(yīng)用PLC控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)，由于其技術(shù)先進(jìn)、自動(dòng)化程度高、可靠性高、操作簡(jiǎn)便、投資回報(bào)快、節(jié)能效果好等優(yōu)點(diǎn)而成為大勢(shì)所趨。

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