自动恒压供水技术及其在中小型水厂的应用
中小型水厂是指日供水能力在一万吨到十万吨的范围，水泵电机由380V低压供电，单功率在315KW以下的水厂。这种规格的水厂在我国的中小城市、大中型工矿企业及经济发达地区的乡镇中都极为普遍。
这类水厂水泵配置一般有（大、小）两档或（大、中、小）三档功率。水泵的数量和容量由备用要求和供水能力决定，不同档功率的水泵用来调节供水压力。水泵电机同（自耦）变压器降压启动装置来启动，启动电流较大。一般采用以下两种供水方式：
1.通过开、停不同组合的机组来调节供水压力，直接给管网用户供水。这种供水方式机组开、停频繁，供水压力只能作有级调节，受操作人员的限制较多。若机组开、停调整不及时或机组功率大小配置不合理，随着用水量的变化，会出现供水压力的大幅度波动。供水压力过低、不能满足用户要求。压力过高时，使管网泄漏和每吨水耗电量增加，造成浪费，容易造成爆管事故。
2.在第一种供水方式的基础上，在管网中增设高位水池。这种方式可以缓解供水压力的波动，也有一定的节能效果。但高位水池占地面积大、造价高。需要增加值班人员、对水质也有二次污染。由于水池高度和其在管网中的位置受地理环境的限制，在很多水厂起到的节能效果并不明显，只是在泵站短时停电时保证用户用水的要求。因此采用这种供水方式不是佳的解决办法。
目前，在水泵调速基础上发展起来的恒压供水技术已广泛应用于中小型水厂的泵站运行控制，在提高供水质量和降耗节能入自动化生产方面都有十分明显的经济效益和社会效益。
果较差。另一种是调节电机的转速。交流异步电机转速如下：
水泵调速及节能分析
1.水泵调速节能分析
众所周知，在水厂的网系统中，对于水泵，其扬程（H）、流量（Q）、转速（n）和轴功率（P）之间存在如下的关系：
Q=K1n H=K2n2
P=K3HQ=K1K2K3n3=Kn3
其中K1、K2、K3、K为常数。可以看出，水泵出口流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，消耗的轴功率与转速的三次方成正比。对水泵进行调速运行，不仅对供水流量与压力进行调节，而且有着非常明显的节能效果。
2.调速方式分析
水泵调速的途径有两种。一种是电机转速不变，通过电机与水泵间的耦合器来达到调速的目的，常见有液力耦合器。这种方式效率低，节能效 果较差。另一种是调节电机的转速。交流异步电机转速如下：
式中f为电源频率，p为电机的极对数。S为转差率。可见调速方式有多种，如调压调速、变级调速、串级调速和变频调速等。其中变频调速由于其调速范围宽、电机效率高、适用面广、可改善电机功率因数、性能价格比高、节能效果最好等诸多优点而越来越多地就用于需要调速的场合。目前变频调速器（以下简称变频器）已广泛应用于水泵调速。
恒压供水技术
恒压供水的基本思路是：采用电机调速装置控制水泵组调速运行，并自动调整水泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节能的目的。系统任意设定供水压力值，其与反馈总管的实际压力值通过PID调节后控制调速装置，以调节水泵机组的运行速度，从而调节系统的供水压力。
恒压供水技术采用的调速装置基本上都是变频调速器。而系统控制器的选用经过了单板机，单片机、温控器、可编程序控制器（PLC）的发展过程。PLC控制的变频恒压供水系统目前是恒压供水控制的主流，它以可靠性高、编程简便、灵活性强、系统自动化程度高等诸多优点而受到普遍欢迎。PLC不仅可以实现数字PID调节功能，并可完成水泵组的监控、自动抽真空、自动抽剩余水等一系列控制功能，并可实现系统的优化控制，以达到最佳的节电效果。
在中小型水厂的管网系统中，由于管网是封闭的，泵站供水的流量由用户的用水量决定。泵站供水的压力以满足管网中压力最不利点的用户的用水要求为前提。而管网从泵站到压力最不利点的压力损失（△H）和流量（Q）之间存在着如下关系：
△H=k Q2
设HST为压力最不利点所需要的最低压力，则泵站出口总管压力H按下式的关系供水，则可满足用户的要求，又有最佳的节电效果：
H= HST + △H= HST + K Q2
因此，供水系统的设定压力应该根据流量的变化而改变较为合理。这种恒压供水技术称为变量恒压供水。采用这种方式供水时系统必须检测泵站的出水流量，在我国目前的情况下，流量计的稳定性、可靠性和准确性都不高，用流量作为控制量会对系统的控制性能和可靠性产生较大的影响。因此这种调节方法在实际工程中应用较少。但流量变化的规律基本上可以掌握，因此在大多数场合，都采用时钟控制器定时自动改变设定压力的方法来近似流量的变化规律。实践证明这种分时可变恒压供水的方法可以达到比较理想的控制效果。
在有些场合，考虑到停电时的供水问题，采用恒压供水系统后还需要保留高位水池。这种情况下由于管网不是全封闭的，不能根据管网流量的变化来确定供水压力。一般根据经验确定一个比较合适的供水或根据高位水池的水位高低来调节供水压力。
由于变频器价格比较昂贵，在恒压供水技术改造时，一般采用一台调速泵和多台恒速泵并联运行。当管网流量变化时，采用开停恒速泵进行大调，利用调速泵进行细调。调速泵选择泵站中的大泵，使调节范围较大。恒速泵的功率以小于调速泵额定功率的三分之二大于调速泵额定功率的二分之一为好，这样既可以保证调速泵运行于高效区，以提高调速泵的运行效率，又可以保证调速泵有较宽的调节区域，以减少恒速泵的开停。
应用实例
下面以某水厂的PLC控制全自动变频恒压供水系统为例，来介绍系统的组成、功能和控制效果。
水厂二级泵站中有三台阶25KW大泵和两台132KW小泵。每台泵的出口配有电动阀。原系统机组由自耦变压器降压启动装置启动运行。管网中有一个两千立方米的高位水池。
1．系统组成及功能
系统原理如图1所示，主要由变频器、PLC和低压电气元件组成。系统与原系统的自耦变压器降压启动装置及阀门控制器组成一个整体对五台机组进行自动控制。变频器选用日本三垦公司的MF-220K型变频器，PLC选用德国西门于公司S7-200系列可编程控制器具有以下功能：
图1
A．五台泵可在任何时候选择进入或退出本控制系统。变频器可对三台大泵软启动调速运行，由PLC控制变频/工频切换。两台小泵可自动通过启动柜投入系统运行。变频运行机组和对应的启动柜实现可靠的电气和软件互锁。以保证系统的安全运行。
B．系统根据总管道的实际压力变化，自动调节变频器运行频率，自动改变投入系统运行的机组，以跟踪设定压力。设定压力可根据时钟控制器或高位水池水位的变化来调节。
C． 系统有自动/手动切换功能，和原系统互为备用。
D．系统根据“先开泵后开阀，先关阀后停泵”的原则对泵出口电动阀门的开关实现自动控制。
E． 系统设有超水压、欠水压、变频故障、阀门故障、山顶水池溢出
等故障的声光报警指示和电压、电流、水位、设定压力、反馈压力、阀门开关状态的指示。
2.基本控制原理
图2为系统控制原理框图。
PLC作为整个系统的核心控制部件，完成模拟量的采样、运算和输出，并完成控制系统的开停、大泵的变频/工频切换、小泵的自动投切、各种工况的监控以及各种故障的检测、判断、处理和报警等任务。
图2
系统根据设定压力与反馈压力的偏差，通过PI调节器输出的模拟信号来控制作变频运行的机组的运行转速，从而改变泵的出水流量来达到调节供水压力的目的。当设定压力大于总管道的出水压力时，变频泵的运行频率会不断提高。当变频器的运行频率达到点50HZ，系统便开始计时。如果200秒内变频泵的运行频率一直维持在50HZ运行，系统便会自动加泵。加泵时先加小泵，若系统中无小泵可加或已有一台小泵运行时，便会加大泵。加泵时，对于同容量的机组，以先切除先投入为原则。加大泵时，原来作变频运行的机组切换到工频运行，后加入的机组由变频器软起动并作变频运行。
当设定压力小于总管出水压力时，变频器运行频率会不断下降。当变频器的运行频率小于设定的减泵下限频率时，系统开始计时。如果15.0秒内变频器的运行频率一直维持在系统设定的减泵下限频率以下，系统便自动减一台泵。减泵时以先投入先切除为原则，先减小泵再减大泵。系统中没有作工频运行的泵时。系统不作减泵操作。
系统处于运行状态时，保证任何时候有一台大泵作变频运行。如果系统刚运行或原变频机组由自动转手动而使系统中没有机组作变频运行，系统将先寻找处于自动状态下且没有运行的大机组作变频运行。如果没有这样的机组，系统便会去寻找一台处于自动状态下作工频运行的机组，将其停机后再变频起动运行。这两种状态的机组都没找到，说明所有大泵均处于手动状态，系统会一直等待，直到有大泵由手动投入自动系统。
3.控制方式
系统根据压力设定方法的不同，有两种工作方式，可供用户选择：
1）分时控制方式。系统根据日供水量的变化规律，分时段由三档压力供水。时段的划分由用户完成，并存入PLC中。PLC中设有时钟控制器，可根据时间自动切换不同设定压力档。根据冬天和夏天供水量变化规律的不同，时段的划分也已作了适当的调整。三档压力的设定值可由操作人员通过电位器方便地调整。时段划分如下：
夏季——七、八、九月
Ⅰ档压力：05：00—09：00、11：00—15：00、17：00—24：00
Ⅱ档压力：09：00—11：00、15：00—17：00
Ⅲ档压力：00：00—05：00
冬季——除七、八、九月以外的时间
Ⅰ档压力：06：00—09：00、11：00—14：00、17：00—22：00
Ⅱ档压力：09：00—11：00、14：00—17：00、22：00—24：00
Ⅲ档压力：23：00—06：00
2）水位调节方式。系统的压力设定值由Ⅰ档压力设定电位器来调节，并根据山顶2000立方米水池的水位按以下规律作修正：
P=P-H/Ho(Po - PMIN)
式中： P——实际设定压力值
Po——I档压力设定电位器的设定值（供水压力上限设定值）
H——水池实际水位高度
Ho——水池水位上限设定值
PMIN ——供水压力下限设定值
当水池水位增高时，实际供水压力会随之下降，水池水位达到上限时，供水压力达到压力下限（此时管网的水应该扬不到水池中）。反之，当水池水位降低时，实际供水压力会随之升高，水池水位高度为零时，供水压力达到压力上限。对水池水位实现自动监控，省去了原来的值班人员。
4.软件编程的几点说明
本系统的控制程序是通过专用梯形图编辑软件在PC机上完成，再通过专用通信口传输到PLC中。编程过程中应注意以下几点：
A.模拟信号的采样时间的确定。压力信号选1-2秒。水位信号选5-8秒。
B.PI调节器的输出结果需作上下限限幅处理，以保证压力调节的快速性。上限值与变频器的50HZ运行频率相对应，下限值要保证变频器运行在水泵高效工作区域，并和加减延时时间相配合，保证系统在加、减泵时不会出现振荡现象（即加泵后立即减泵，减泵后又立即加泵的现象）。比例常数和积分常数的选取以系统供水压力波动能满足要求，压力调节快为原则，根据系统惯性大小在现场调试时确定。
C.程序必须考虑机组故障和各种误操作时的处理和报警，以确保系统运行的安全性和可靠性。
D.对先投入先切除功能的实现，程序中采用堆栈的方式。对三台大历史意义和两台小泵分别建立一张堆栈表，根据泵组的自动/手动情况、开/停情况、故障情况、小泵开停的准优先原则来确定下一次机组开停的对象。
本系统使生产自动化程度大大提高，操作方便，工人劳动强度大大降低。由于系统智能程度高，功能齐全。给系统的维护和检修也带来了极大的方便。运行稳定可靠，供水质量明显提高，可使用户投诉减少。由于供水压力稳定，调整方便，有效地控制了由供水压力过高引起的管漏和爆管现象。据运行数据测算，节电效果非常显著，吨水单耗省电达20%，有很好的经济效益。
目前中小型泵站的控制设备普遍比较落后，自动化程度低下，工人的素质相对较低。根据现状和我国对这类水厂的技改要求，在中小型水厂应用PLC控制的变频恒压供水系统，由于其技术先进、自动化程度高、可靠性高、操作简便、投资回报快、节能效果好等优点而成为大势所趋。我公司已愿与各中小型水厂合作完成恒压供水的技术改造，使这些水厂在自动化生产、节能和管理上都上了一个新的台阶。
本公司视质量与信誉为企业的生命，我们愿与各位用户建立友好互利关系。
文章版权归西部工控xbgk所有，未经许可不得转载。
服务咨询