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    一 概述

    隨著蕭山經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和人民生活水平的日益提高，蕭山區(qū)原有的3個自來水廠已經(jīng)不能滿足居民生活的需要；同時為了實現(xiàn)全區(qū)城鎮(zhèn)區(qū)域供水的目標(biāo)，新建了蕭山區(qū)第四水廠――蕭山南片水廠。

    蕭山南片水廠位于蕭山區(qū)戴村鎮(zhèn)，工程規(guī)模為30萬噸/日，目前為10萬噸/日。供水泵房安裝臥式離心泵5臺，其中3臺10kV高壓恒壓泵，2臺200kW、380V變頻穩(wěn)壓泵，每臺泵出口裝有一個電動蝶閥。供水管網(wǎng)安裝壓力測量裝置，通過無線數(shù)傳設(shè)備傳至中控室。

    二 變頻恒壓供水技術(shù)

    變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)以其節(jié)能、安全、供水高品質(zhì)等優(yōu)點，在供水行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電動機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化(實際上為供水管網(wǎng)的壓力變化)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中如何充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設(shè)計變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。

    新型供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論在設(shè)備的投資、運行的經(jīng)濟性，還是在系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面，都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)的這些優(yōu)越性，引起國內(nèi)幾乎所有供水設(shè)備廠家的高度重視，并被不斷投入開發(fā)、生產(chǎn)。目前該產(chǎn)品正向著高可靠性、全數(shù)字化微機控制、多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化是未來供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)中成片開發(fā)智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。

    在短短的幾年內(nèi)，調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)經(jīng)歷了一個逐步完善的發(fā)展過程，早期的單泵調(diào)速恒壓系統(tǒng)逐漸為多泵系統(tǒng)所代替。雖然單泵產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計簡易可靠，但單泵電動機深度調(diào)速造成水泵、電動機運行效率低，而多泵型產(chǎn)品的投資更為節(jié)省，運行效率也高，被實際證明是最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計，因此很快發(fā)展成為主導(dǎo)產(chǎn)品。

    三 變頻恒壓供水控制方式

    眾所周知，水泵消耗功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，即N=Kn3，其中N為水泵消耗功率，n為水泵運行時的轉(zhuǎn)速，K為比例系數(shù)。而水泵是按工頻運行時速設(shè)計的，但供水時除高峰外，大部分時間流量較小，由于采用了變頻技術(shù)及微機控制技術(shù)，因此可以使水泵運行的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，最終達到節(jié)能的目的。實踐證明，使用變頻設(shè)備可使水泵運行平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低20%，從而大大降低能耗，節(jié)能效率可達20~ 40%。

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

    在該方式中，變頻器的作用是為電動機提供可變頻率的電源，實現(xiàn)電動機的無級調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓可控。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)定信號和壓力反饋信號輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部PID控制程序的計算，輸給變頻器一個轉(zhuǎn)速控制信號。還有一種辦法是將壓力設(shè)定信號和壓力反饋信號送入PID回路調(diào)節(jié)器，由后者進行運算后，輸給變頻器一個轉(zhuǎn)速控制信號。

    由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號是由可編程控制器或PID回路調(diào)節(jié)器給出的，所以對可編程控制器來講，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)字量輸出口端另接一塊PWM調(diào)制板，將可編程控制器輸出的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量。這樣，可編程控制器的成本沒有降低，還增加了連線和附加設(shè)備，降低了整套設(shè)備的可靠性。如果采用一個開關(guān)量輸入/輸出的可編程控制器和一個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控制信號的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設(shè)備成本的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

    (2)新型變頻調(diào)速供水設(shè)備

    針對傳統(tǒng)的變頻調(diào)供水設(shè)備的不足之處，國內(nèi)外不少生產(chǎn)廠家近年來紛紛推出了一系列新產(chǎn)品，如華為的TD2100，施耐德公司的Altivar58泵切換卡，SANKEN的SAMCO-I系列，ABB公司的ACS600、ACS400系列，富士公司的G11S/P11S系列等。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運算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對可編程控制器存儲容量的要求和對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，為了保證水壓反饋信號值的準(zhǔn)確、不失值，可對該信號設(shè)置濾波時間常數(shù)，同時還可對反饋信號進行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單、方便。這類變頻器的價格僅比通用變頻器略高一點，但功能卻強很多，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)試時間。在滿足工藝要求的情況下應(yīng)優(yōu)先采用。

    (3)供水專用變頻器

    供水專用變頻器是將普通變頻器和PLC控制器集成在一起，是集供水管控一體化的系統(tǒng)，內(nèi)置供水專用PID調(diào)節(jié)器，只需加一只壓力傳感器，即可方便地組成供水閉環(huán)控制系統(tǒng)。傳感器反饋的水壓信號直接送入變頻器自帶的PID調(diào)節(jié)器輸入口，而壓力設(shè)定既可使用變頻器的鍵盤設(shè)定，也可采用一只電位器以模擬量的形式送入。每日可設(shè)定多段壓力運行，以適應(yīng)供水壓力的需要。也可設(shè)定指定日供水壓力。面板可以直接顯示壓力反饋值(MPa)。

    系統(tǒng)供水有兩種基本運行方式：變頻泵固定方式和變頻泵循環(huán)方式。變頻泵固定方式最多可以控制7臺泵，可選擇“先開先關(guān)”和“先開后關(guān)”(適用泵容量不同場合)兩種水泵關(guān)閉順序；變頻泵循環(huán)方式最多可以控制4臺泵，系統(tǒng)以“先開先關(guān)”的順序關(guān)泵。

    四 蕭山南片水廠變頻恒壓供水控制系統(tǒng)

    蕭山南片水廠變頻恒壓供水控制系統(tǒng)通過遙測到的管網(wǎng)壓力，經(jīng)PLC 的PID運算后，將控制信號送至變頻器，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，實現(xiàn)管網(wǎng)的恒壓供水。為防止水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生，泵的啟停將聯(lián)動其出口閥門。

    (1)自動投切泵

    泵的自動投切只有在PLC全自動控制方式下才能實現(xiàn)。一般情況下，PLC通過采集管網(wǎng)壓力，經(jīng)PID運算后，把控制信號傳至變頻器，自動調(diào)節(jié)輸出頻率，進行恒壓變量供水。但當(dāng)變頻器頻率已升至50Hz或降至30Hz，管網(wǎng)壓力仍不能滿足要求時，PLC將執(zhí)行投/切泵程序。

    壓力信號同時作為爆管報警的信號源，當(dāng)管網(wǎng)的壓力突然下降，而出水的流量超過正常值時，上位機將發(fā)出聲光報警，并記錄報警信息。

    (2)啟動程序

    先檢測清水池的水位，如果水位達到啟泵水位，則啟動啟泵程序，啟動水泵。啟泵時先啟動真空泵抽真空，如果真空度形成，則可以開閥，啟泵完成。如果抽真空失敗，則關(guān)閉真空泵，停止啟泵并報警。

    (3)投泵程序

    當(dāng)變頻器升至50Hz，而管網(wǎng)壓力仍低于壓力設(shè)定值時， PLC將開始計時，在規(guī)定時間內(nèi)，若管網(wǎng)壓力達到設(shè)定壓力值，則PLC放棄計時，繼續(xù)變頻調(diào)壓；在規(guī)定時間內(nèi)，若管網(wǎng)壓力仍低于設(shè)定壓力值，PLC 將首先降低變頻器頻率至一定范圍，然后啟動恒壓泵。

    (4)切泵程序

    當(dāng)變頻器降至30Hz，而管網(wǎng)壓力仍高于壓力設(shè)定值時，PLC將開始計時，在規(guī)定時間內(nèi)，若管網(wǎng)壓力降低至設(shè)定壓力值，則PLC放棄計時，繼續(xù)變頻調(diào)壓；在規(guī)定時間內(nèi)，若管網(wǎng)壓力仍高于設(shè)定壓力值，PLC 將切除恒壓泵，同時變頻器頻率將升高，以滿足管網(wǎng)壓力要求；若管網(wǎng)壓力仍高于壓力設(shè)定值，PLC將會依次切除恒壓泵，直至管網(wǎng)壓力達到設(shè)定值。

    (5)投切順序

    泵的投切將遵循“先投先切、先切先投”的切換控制方式。即水泵在切換時，PLC根據(jù)其運行狀況，將其自動排列至運行隊列或待運行隊列中，在下次切換時，PLC將根據(jù)其排列順序，自動投切水泵。當(dāng)水泵出現(xiàn)故障時，PLC自動將其從切換隊列中退出，以便維修人員對其進行維修，而系統(tǒng)仍在全自動控制方式下運行，實現(xiàn)變頻恒壓變流量供水。

    (6)停泵程序

    停泵時，先將出水閥門關(guān)至1/3位置，然后停泵，最后將閥門關(guān)閉。

    五 結(jié)束語

    蕭山南片水廠采用變頻恒壓供水控制后，首先，在設(shè)計、施工中徹底取代了高位水箱、水池、水塔和氣壓罐供水等傳統(tǒng)的供水方式，消除水質(zhì)的二次污染，而且更具有節(jié)省能源、操作方便、自動化程度高等優(yōu)點；其次，該廠的供水調(diào)峰能力明顯提高，不僅對一天之內(nèi)的中午和晚上的生活用水高峰，而且對由于天氣情況引起的綠化用水高峰和時間不確定的基建用水高峰，都能正確自動調(diào)節(jié)；其三，大大減少了開泵、切換和停泵次數(shù)，由此減少對設(shè)備的沖擊，延長使用壽命。