水廠變頻供水系統(tǒng)研究

武云鵬

【摘 要】目前變頻調(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)，使我國供水行業(yè)的技術(shù)裝備水平經(jīng)歷了一次飛躍。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是當(dāng)今先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中得到了很大的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】水廠；變頻供水系統(tǒng)；節(jié)能

一、前言

由于地理分布、經(jīng)濟(jì)條件和相關(guān)技術(shù)人才的原因，我國水廠自動(dòng)化的總體發(fā)展水平還不高，發(fā)展也不平衡。大中城市水廠，特別是發(fā)達(dá)地區(qū)大型水廠的自動(dòng)化程度很高，而小城市和城鎮(zhèn)水廠，特別是落后地區(qū)小型水廠的自動(dòng)化程度較低，甚至還是空白。在一些已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的水廠中，雖然自動(dòng)化系統(tǒng)和設(shè)備與其他行業(yè)，如化工、電力等相比并不差，甚至更先進(jìn)，但是，其功能并未充分發(fā)揮出來。有的自控系統(tǒng)從未運(yùn)行過，一直處于閑置狀態(tài)；有的運(yùn)行一段時(shí)間后變?yōu)榱耸謩?dòng)，甚至處于癱瘓狀態(tài)，造成了自動(dòng)化系統(tǒng)和設(shè)備的極大浪費(fèi)。

國內(nèi)實(shí)現(xiàn)水廠自動(dòng)化控制的方法主要是新建和擴(kuò)建工程。大型水廠建設(shè)項(xiàng)目依靠引進(jìn)外資和全套技術(shù)設(shè)備，水廠工藝自動(dòng)化水平高，但設(shè)備和控制系統(tǒng)投資很大。中小水廠自動(dòng)化的設(shè)計(jì)、工程服務(wù)以國內(nèi)為主，但系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備仍以引進(jìn)國外產(chǎn)品為主，在設(shè)備選型及工程服務(wù)上采取國內(nèi)與國外相結(jié)合的辦法。這種辦法不但大大降低了水廠在自控系統(tǒng)中的投資，而且實(shí)現(xiàn)了工程售后服務(wù)的本地化，有利于該行業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。

我國水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的發(fā)展過程可分為三個(gè)階段：第一階段是分散控制階段，該階段水廠各部分分別進(jìn)行自動(dòng)控制，各獨(dú)立系統(tǒng)互不相關(guān)；第二階段是水廠綜合自動(dòng)化階段，在該階段整個(gè)水廠作為一個(gè)綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)，同時(shí)各個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)又可以獨(dú)立工作，該系統(tǒng)共享整個(gè)水廠的信息，同時(shí)又有分散控制的可靠性?，F(xiàn)階段大部分水廠處于此階段；第三階段是供水系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化階段，該階段要求在一個(gè)區(qū)域的供水企業(yè)共享信息，實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市或地區(qū)供水系統(tǒng)的自動(dòng)控制。目前我國的中小型水廠大部分處于第一或第二階段，只有很少大型水廠達(dá)到了第三階段。在國外，如加拿大、美國等發(fā)達(dá)國家基本實(shí)現(xiàn)了供水系統(tǒng)的全自動(dòng)化，而且開始進(jìn)行分質(zhì)供水，把自來水中生活用水和直接飲用水分開，另設(shè)管網(wǎng)，直通住戶，實(shí)現(xiàn)飲用水和生活用水分質(zhì)、分流，達(dá)到直飲的目的，并滿足優(yōu)質(zhì)優(yōu)用、低質(zhì)低用的要求，同時(shí)對(duì)水廠內(nèi)部的自控系統(tǒng)也在不斷地進(jìn)行改進(jìn)和提高。

二、變頻節(jié)能技術(shù)在水廠中應(yīng)用的重要性

在水處理行業(yè)中，普遍存在著用水量變化較大的問題，在不同的季節(jié)、不同的時(shí)段，用戶用水的需求量有很大的差別，存在著明顯的用水高峰特征，因此水處理廠供水系統(tǒng)的給水壓力需要隨用戶的用水需求量變化而變化。在低峰時(shí)，如果水泵機(jī)組按高峰期的用水量運(yùn)行，雖可通過調(diào)節(jié)閥門來滿足用水需求，但供水能量損耗大，而且還會(huì)影響機(jī)組的正常運(yùn)行。因此，根據(jù)用水需求自動(dòng)控制水泵機(jī)組運(yùn)行，且實(shí)現(xiàn)節(jié)能，是水廠自動(dòng)化技術(shù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，因此變頻調(diào)速的恒壓供水系統(tǒng)孕育而生。

變頻調(diào)速是一項(xiàng)有效的節(jié)能降耗技術(shù)，其節(jié)電效率很高，幾乎能將因設(shè)計(jì)冗余和用水量變化而浪費(fèi)的電能全部節(jié)省下來。變頻調(diào)速控制技術(shù)，是指以變頻調(diào)速原理為基礎(chǔ)，在保證供水可靠性的前提下，根據(jù)供水系統(tǒng)用水量的變化情況，自動(dòng)調(diào)整水泵工況，使之始終盡可能地在高效區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，以達(dá)到降低能耗、提高效率的目的。這一技術(shù)是比較科學(xué)，可靠性較高的一種調(diào)節(jié)水泵工況的方式。它具有調(diào)速精度高、功率因數(shù)高等特點(diǎn)，使用它可以提高產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量，并降低物料和設(shè)備的損耗，同時(shí)也能減少機(jī)械磨損和噪音，改善車間勞動(dòng)條件，滿足生產(chǎn)工藝要求。

變頻器是一種以變頻調(diào)速技術(shù)為基礎(chǔ)通過改變頻率來調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的工業(yè)裝置。作為一種先進(jìn)的調(diào)速裝置，變頻器不但調(diào)速范圍廣、可靠性高、操作與維護(hù)方便，而且節(jié)電效果明顯。在水處理行業(yè)變頻器具有廣闊的發(fā)展前景，有關(guān)其應(yīng)用研究也一直得到相關(guān)工程領(lǐng)域的重視。應(yīng)用變頻器來實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)能供水，可以采用恒壓變量或變壓變量兩種方式來實(shí)現(xiàn)。恒壓變量供水系統(tǒng)通過調(diào)整變頻器轉(zhuǎn)速（即供水流量）來保證供水壓力不變，該系統(tǒng)技術(shù)比較成熟，應(yīng)用廣泛。變壓變量供水系統(tǒng)則根據(jù)用戶用水量的變化同時(shí)調(diào)整變頻器轉(zhuǎn)速（即供水流量）和供水壓力，很明顯該方案節(jié)能效果更好。但是由于水頭損失等受各種因素影響，難以準(zhǔn)確確定，實(shí)際應(yīng)用的很少。

三、水廠變頻供水系統(tǒng)供水裝置設(shè)計(jì)

1、邏輯電子電路控制方式

這類控制電路難以實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組全部軟啟動(dòng)、全流量變頻調(diào)節(jié)。往往采用一臺(tái)泵固定于變頻狀態(tài)，其余泵均為工頻狀態(tài)的方式。因此控制精度較低、水泵切換時(shí)水壓波動(dòng)大、調(diào)試較麻煩、工頻泵起動(dòng)有沖擊、抗干擾能力較弱，但成本較低。

2、單片微機(jī)電路控制方式

這類控制電路優(yōu)于邏輯電路，但在應(yīng)付不同管網(wǎng)、不同供水情況時(shí)調(diào)試較麻煩，追加功能時(shí)往往要對(duì)電路進(jìn)行修改，不靈活也不方便。電路的可靠性和抗干擾能力都不是很高。

3、帶 PID 回路調(diào)節(jié)器和/或可編程序控制器（PLC）的控制方式

該方式下變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級(jí)調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。傳感器的任務(wù)是檢測管網(wǎng)水壓。壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的水壓期望值。壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)在輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部 PID 控制程序的計(jì)算，輸出給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。還有一種辦法是將壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)送入 PID 回路調(diào)節(jié)器，由 PID 回路調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)器內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算后，輸入給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào)。

由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號(hào)是由可編程控制器或 PID 回路調(diào)節(jié)器給出的，所以對(duì)可編程控制器來講，既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入/輸出接口的可編程控制器價(jià)格很高，這無形中就增加了供水設(shè)備的成本。若采用帶有模擬量輸入/數(shù)字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數(shù)字量輸出口處另接一塊 PWM 調(diào)制板，將可編程控制器輸出的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂破鞯妮斎胄盘?hào)，這樣不但成本沒有降低，還增加了連線和附加設(shè)備，降低了整套設(shè)備的可靠性。如果采用一個(gè)開關(guān)量輸入/輸出的可編程控制器和一個(gè)PID 回路調(diào)節(jié)器，其成本也和帶模擬量輸入/輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調(diào)速恒壓給水控制設(shè)備中，PID 控制信號(hào)的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設(shè)備成本的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

4、新型變頻調(diào)速供水設(shè)備

針對(duì)傳統(tǒng)的變頻調(diào)供水設(shè)備的不足之處，不少生產(chǎn)廠家近年來紛紛推出了一系列新型產(chǎn)品。這些產(chǎn)品將 PID 調(diào)節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應(yīng)用宏的新型變頻器。由于 PID 運(yùn)算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對(duì)可編程控制器存貯容量的要求和對(duì) PID 算法的編程，而且 PID 參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的PID 調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。同時(shí)，為了保證水壓反饋信號(hào)值的準(zhǔn)確、不失值，可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單、方便。這類變頻器的價(jià)格僅比通用變頻器略微高一點(diǎn)，但功能卻強(qiáng)很多，所以采用帶有內(nèi)置 PID 功能的變頻器生產(chǎn)出的恒壓供水設(shè)備，降低了設(shè)備成本，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了安裝調(diào)試時(shí)間。在滿足工藝要求的情況下應(yīng)優(yōu)先采用。

總之，變頻供水方式從運(yùn)行原理及運(yùn)行過程分析方面探討，可以看出此供水方式具有節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，但具體問題需要具體分析，在變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中需要注意許多設(shè)計(jì)要點(diǎn)，否則無法取得預(yù)期的節(jié)能效果。

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