一 概述

    隨著(zhù)蕭山經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和人民生活水平的日益提高，蕭山區原有的3個(gè)自來(lái)水廠(chǎng)已經(jīng)不能滿(mǎn)足居民生活的需要；同時(shí)為了實(shí)現全區城鎮區域供水的目標，新建了蕭山區第四水廠(chǎng)――蕭山南片水廠(chǎng)。

    蕭山南片水廠(chǎng)位于蕭山區戴村鎮，工程規模為30萬(wàn)噸/日，目前為10萬(wàn)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變頻穩壓泵，每臺泵出口裝有一個(gè)電動(dòng)蝶閥。供水管網(wǎng)安裝壓力測量裝置，通過(guò)無(wú)線(xiàn)數傳設備傳至中控室。

    二 變頻恒壓供水技術(shù)

    變頻調速恒壓供水技術(shù)以其節能、安全、供水高品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，在供水行業(yè)得到了廣泛應用。恒壓供水調速系統實(shí)現水泵電動(dòng)機無(wú)級調速，依據用水量的變化(實(shí)際上為供水管網(wǎng)的壓力變化)自動(dòng)調節系統的運行參數，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿(mǎn)足用水要求，是當今先進(jìn)、合理的節能型供水系統。在實(shí)際應用中如何充分利用變頻器內置的各種功能，對合理設計變頻調速恒壓供水設備、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著(zhù)重要意義。

    新型供水方式與過(guò)去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論在設備的投資、運行的經(jīng)濟性，還是在系統的穩定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面，都具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著(zhù)的節能效果。恒壓供水調速系統的這些優(yōu)越性，引起國內幾乎所有供水設備廠(chǎng)家的高度重視，并被不斷投入開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)。目前該產(chǎn)品正向著(zhù)高可靠性、全數字化微機控制、多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化、系列化、標準化是未來(lái)供水設備適應城鎮建設中成片開(kāi)發(fā)智能樓宇、網(wǎng)絡(luò )供水調度和整體規劃要求的必然趨勢。

    在短短的幾年內，調速恒壓供水系統經(jīng)歷了一個(gè)逐步完善的發(fā)展過(guò)程，早期的單泵調速恒壓系統逐漸為多泵系統所代替。雖然單泵產(chǎn)品系統設計簡(jiǎn)易可靠，但單泵電動(dòng)機深度調速造成水泵、電動(dòng)機運行效率低，而多泵型產(chǎn)品的投資更為節省，運行效率也高，被實(shí)際證明是最優(yōu)的系統設計，因此很快發(fā)展成為主導產(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(shí)的轉速，K為比例系數。而水泵是按工頻運行時(shí)速設計的，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)及微機控制技術(shù)，因此可以使水泵運行的轉速隨流量的變化而變化，最終達到節能的目的。實(shí)踐證明，使用變頻設備可使水泵運行平均轉速比工頻轉速降低20%，從而大大降低能耗，節能效率可達20~ 40%。

    (1)帶PID回路調節器和/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)機提供可變頻率的電源，實(shí)現電動(dòng)機的無(wú)級調速，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；壓力設定單元為系統提供滿(mǎn)足用戶(hù)需要的水壓期望值；壓力設定信號和壓力反饋信號輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內部PID控制程序的計算，輸給變頻器一個(gè)轉速控制信號。還有一種辦法是將壓力設定信號和壓力反饋信號送入PID回路調節器，由后者進(jìn)行運算后，輸給變頻器一個(gè)轉速控制信號。

    由于變頻器的轉速控制信號是由可編程控制器或PID回路調節器給出的，所以對可編程控制器來(lái)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(wú)形中就增加了供水設備的成本。若采用帶有模擬量輸入/數字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數字量輸出口端另接一塊PWM調制板，將可編程控制器輸出的數字量信號轉變?yōu)槟M量。這樣，可編程控制器的成本沒(méi)有降低，還增加了連線(xiàn)和附加設備，降低了整套設備的可靠性。如果采用一個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入/輸出的可編程控制器和一個(gè)PID回路調節器，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，在變頻調速恒壓給水控制設備中，PID控制信號的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設備成本的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節。

    (2)新型變頻調速供水設備

    針對傳統的變頻調供水設備的不足之處，國內外不少生產(chǎn)廠(chǎng)家近年來(lái)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調節器以及簡(jiǎn)易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內，形成了帶有各種應用宏的新型變頻器。由于PID運算在變頻器內部，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參數的在線(xiàn)調試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內部自帶的PID調節器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調節十分平滑、穩定。同時(shí)，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失值，可對該信號設置濾波時(shí)間常數，同時(shí)還可對反饋信號進(jìn)行換算，使系統的調試非常簡(jiǎn)單、方便。這類(lèi)變頻器的價(jià)格僅比通用變頻器略高一點(diǎn)，但功能卻強很多，所以采用帶有內置PID功能的變頻器生產(chǎn)出的恒壓供水設備，降低了設備成本，提高了生產(chǎn)效率，節省了安裝調試時(shí)間。在滿(mǎn)足工藝要求的情況下應優(yōu)先采用。

    (3)供水專(zhuān)用變頻器

    供水專(zhuān)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，內置供水專(zhuān)用PID調節器，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。傳感器反饋的水壓信號直接送入變頻器自帶的PID調節器輸入口，而壓力設定既可使用變頻器的鍵盤(pán)設定，也可采用一只電位器以模擬量的形式送入。每日可設定多段壓力運行，以適應供水壓力的需要。也可設定指定日供水壓力。面板可以直接顯示壓力反饋值(MPa)。

    系統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(kāi)先關(guān)”和“先開(kāi)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臺泵，系統以“先開(kāi)先關(guān)”的順序關(guān)泵。

    四 蕭山南片水廠(chǎng)變頻恒壓供水控制系統

    蕭山南片水廠(chǎng)變頻恒壓供水控制系統通過(guò)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，調節變頻器的輸出頻率，實(shí)現管網(wǎng)的恒壓供水。為防止水錘現象的產(chǎn)生，泵的啟停將聯(lián)動(dòng)其出口閥門(mén)。

    (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。一般情況下，PLC通過(guò)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(dòng)調節輸出頻率，進(jìn)行恒壓變量供水。但當變頻器頻率已升至50Hz或降至30Hz，管網(wǎng)壓力仍不能滿(mǎn)足要求時(shí)，PLC將執行投/切泵程序。

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

    (2)啟動(dòng)程序

    先檢測清水池的水位，如果水位達到啟泵水位，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(kāi)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

    當變頻器升至50Hz，而管網(wǎng)壓力仍低于壓力設定值時(shí)， PLC將開(kāi)始計時(shí)，在規定時(shí)間內，若管網(wǎng)壓力達到設定壓力值，則PLC放棄計時(shí)，繼續變頻調壓；在規定時(shí)間內，若管網(wǎng)壓力仍低于設定壓力值，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

    當變頻器降至30Hz，而管網(wǎng)壓力仍高于壓力設定值時(shí)，PLC將開(kāi)始計時(shí)，在規定時(shí)間內，若管網(wǎng)壓力降低至設定壓力值，則PLC放棄計時(shí)，繼續變頻調壓；在規定時(shí)間內，若管網(wǎng)壓力仍高于設定壓力值，PLC 將切除恒壓泵，同時(shí)變頻器頻率將升高，以滿(mǎn)足管網(wǎng)壓力要求；若管網(wǎng)壓力仍高于壓力設定值，PLC將會(huì )依次切除恒壓泵，直至管網(wǎng)壓力達到設定值。

    (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根據其運行狀況，將其自動(dòng)排列至運行隊列或待運行隊列中，在下次切換時(shí)，PLC將根據其排列順序，自動(dòng)投切水泵。當水泵出現故障時(shí)，PLC自動(dòng)將其從切換隊列中退出，以便維修人員對其進(jìn)行維修，而系統仍在全自動(dòng)控制方式下運行，實(shí)現變頻恒壓變流量供水。

    (6)停泵程序

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

    五 結束語(yǔ)

    蕭山南片水廠(chǎng)采用變頻恒壓供水控制后，首先，在設計、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的供水方式，消除水質(zhì)的二次污染，而且更具有節省能源、操作方便、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)；其次，該廠(chǎng)的供水調峰能力明顯提高，不僅對一天之內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(shí)間不確定的基建用水高峰，都能正確自動(dòng)調節；其三，大大減少了開(kāi)泵、切換和停泵次數，由此減少對設備的沖擊，延長(cháng)使用壽命。