恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)應(yīng)用概述

盧 濤

(邯鄲市自來水公司,河北邯鄲 056001)

恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)應(yīng)用概述

盧 濤

(邯鄲市自來水公司,河北邯鄲 056001)

自從變頻器問世以來,變頻調(diào)速技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。本文主要闡述了變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)的基本原理及其應(yīng)用。

供水;變頻器;控制;恒壓;變頻

1 引言

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)用于生活的方方面面。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)的改造過程中,既可以體現(xiàn)變頻控制恒壓供水的優(yōu)勢,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。

2 恒壓供水的基本思路

恒壓供水的基本思路是: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)能的目的等。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 P ID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 P ID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:

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:

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)必須檢測泵站的出水流量,在我國目前的情況下,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。

在有些場合,考慮到停電時(shí)的供水問題,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)工頻泵并聯(lián)運(yùn)行。當(dāng)管網(wǎng)流量變化時(shí),采用開停工頻泵進(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。工頻泵的功率以小于調(diào)速泵額定功率的 2/3大于調(diào)速泵額定功率的1/2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,以減少工頻泵的開停。

3 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)大泵 (圖 1中M1、M2、M3為變頻泵)和兩臺(tái)小泵 (圖 1中M4、M5為工頻泵)。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啟動(dòng)裝置啟動(dòng)運(yùn)行。管網(wǎng)中有一個(gè)2000立方米的高位水池。

3.1 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)的自耦變壓器降壓啟動(dòng)裝置及閥門控制器組成一個(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)小泵為工頻泵可自動(dòng)通過啟動(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)“先開泵后開閥,先關(guān)閥后停泵”的原則對(duì)泵出口電動(dòng)閥門的開關(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、閥門開關(guān)狀態(tài)的指示。

3.2 基本控制原理

系統(tǒng)的基本控制原理如圖 2。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、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 PI調(diào)節(jié)器輸出的模擬信號(hào)來控制作變頻運(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 50HZ,系統(tǒng)便開始計(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)開始計(jì)時(shí)。如果 300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)下且沒有運(yùn)行的大機(jī)組作變頻運(yùn)行。如果沒有這樣的機(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)組都沒找到,說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)。

3.3 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:

3.3.1 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(夏季用水量偏多)

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))

3.3.2 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)定電位器來調(diào)節(jié),并根據(jù)清水池的水位按以下規(guī)律作修正:

式中:P——實(shí)際設(shè)定壓力值

Pmax——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,省去了原來的值班人員。在水廠應(yīng)用中以分時(shí)控制方式較為多見。

變頻恒壓供水系統(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)和檢修也帶來了極大的方便,運(yùn)行穩(wěn)定可靠,供水質(zhì)量明顯提高。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高引起的管漏和爆管現(xiàn)象。據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)測算,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)效益和廣闊的發(fā)展空間。

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T M921.51

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1009-5462(2010)04-0052-03

2010-11-08

盧濤(1978-),男,河北邯鄲人,河北省邯鄲市自來水公司工程師。

[責(zé)任編校:張彩紅 ]