一 概述

    隨著蕭山經(jīng)濟(jì)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(gè)自來水廠已經(jīng)不能滿足居民生活的需要；同時(shí)為了實(shí)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(tái)，其中3臺(tái)10kV高壓恒壓泵，2臺(tái)200kW、380V變頻穩(wěn)壓泵，每臺(tái)泵出口裝有一個(gè)電動(dòng)蝶閥。供水管網(wǎng)安裝壓力測(cè)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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)水泵電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化(實(shí)際上為供水管網(wǎng)的壓力變化)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，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)用中如何充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對(duì)合理設(shè)計(jì)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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還是在系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面，都具有無法比擬的優(yōu)勢(shì)，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(guó)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(jī)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(shì)。

    在短短的幾年內(nèi)，調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)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(jì)簡(jiǎn)易可靠，但單泵電動(dòng)機(jī)深度調(diào)速造成水泵、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率低，而多泵型產(chǎn)品的投資更為節(jié)省，運(yùn)行效率也高，被實(shí)際證明是最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速，K為比例系數(shù)。而水泵是按工頻運(yùn)行時(shí)速設(shè)計(jì)的，但供水時(shí)除高峰外，大部分時(shí)間流量較小，由于采用了變頻技術(shù)及微機(jī)控制技術(shù)，因此可以使水泵運(yùn)行的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，最終達(dá)到節(jié)能的目的。實(shí)踐證明，使用變頻設(shè)備可使水泵運(yùn)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(dá)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(dòng)機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓可控。傳感器的任務(wù)是檢測(cè)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)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，由后者進(jìn)行運(yùn)算后，輸給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(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(hào)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(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)。

    (2)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，國(guó)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(jiǎn)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)可編程控制器存儲(chǔ)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(jiǎn)單、方便。這類變頻器的價(jià)格僅比通用變頻器略高一點(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。

    (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(hào)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(yùn)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(yùn)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(tái)泵，可選擇“先開先關(guān)”和“先開后關(guān)”(適用泵容量不同場(chǎng)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(tái)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(cè)到的管網(wǎng)壓力，經(jīng)PLC 的PID運(yùn)算后，將控制信號(hào)送至變頻器，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，實(shí)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(dòng)其出口閥門。

    (1)自動(dòng)投切泵

    泵的自動(dòng)投切只有在PLC全自動(dòng)控制方式下才能實(shí)現(xiàn)。一般情況下，PLC通過采集管網(wǎng)壓力，經(jīng)PID運(yùn)算后，把控制信號(hào)傳至變頻器，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出頻率，進(jìn)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(shí)，PLC將執(zhí)行投/切泵程序。

    壓力信號(hào)同時(shí)作為爆管報(bào)警的信號(hào)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(shí)，上位機(jī)將發(fā)出聲光報(bào)警，并記錄報(bào)警信息。

    (2)啟動(dòng)程序

    先檢測(cè)清水池的水位，如果水位達(dá)到啟泵水位，則啟動(dòng)啟泵程序，啟動(dòng)水泵。啟泵時(shí)先啟動(dòng)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(bào)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(shí)， PLC將開始計(jì)時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，若管網(wǎng)壓力達(dá)到設(shè)定壓力值，則PLC放棄計(jì)時(shí)，繼續(xù)變頻調(diào)壓；在規(guī)定時(shí)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(dòng)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(shí)，PLC將開始計(jì)時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，若管網(wǎng)壓力降低至設(shè)定壓力值，則PLC放棄計(jì)時(shí)，繼續(xù)變頻調(diào)壓；在規(guī)定時(shí)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(shí)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(huì)依次切除恒壓泵，直至管網(wǎng)壓力達(dá)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(shí)，PLC根據(jù)其運(yùn)行狀況，將其自動(dòng)排列至運(yùn)行隊(duì)列或待運(yùn)行隊(duì)列中，在下次切換時(shí)，PLC將根據(jù)其排列順序，自動(dòng)投切水泵。當(dāng)水泵出現(xiàn)故障時(shí)，PLC自動(dòng)將其從切換隊(duì)列中退出，以便維修人員對(duì)其進(jìn)行維修，而系統(tǒng)仍在全自動(dòng)控制方式下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)變頻恒壓變流量供水。

    (6)停泵程序

    停泵時(shí)，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(yǔ)

    蕭山南片水廠采用變頻恒壓供水控制后，首先，在設(shè)計(jì)、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(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)；其次，該廠的供水調(diào)峰能力明顯提高，不僅對(duì)一天之內(nèi)的中午和晚上的生活用水高峰，而且對(duì)由于天氣情況引起的綠化用水高峰和時(shí)間不確定的基建用水高峰，都能正確自動(dòng)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(duì)設(shè)備的沖擊，延長(zhǎng)使用壽命。