自動(dòng)恒壓供水技術(shù)及其在中小型水廠的應(yīng)用
中小型水廠是指日供水能力在一萬(wàn)噸到十萬(wàn)噸的范圍,水泵電機(jī)由380V低壓供電,單功率在315KW以下的水廠。這種規(guī)格的水廠在我國(guó)的中小城市、大中型工礦企業(yè)及經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)中都極為普遍。
這類水廠水泵配置一般有(大、小)兩檔或(大、中、?。┤龣n功率。水泵的數(shù)量和容量由備用要求和供水能力決定,不同檔功率的水泵用來(lái)調(diào)節(jié)供水壓力。水泵電機(jī)同(自耦)變壓器降壓?jiǎn)?dòng)裝置來(lái)啟動(dòng),啟動(dòng)電流較大。一般采用以下兩種供水方式:
1.通過(guò)開(kāi)、停不同組合的機(jī)組來(lái)調(diào)節(jié)供水壓力,直接給管網(wǎng)用戶供水。這種供水方式機(jī)組開(kāi)、停頻繁,供水壓力只能作有級(jí)調(diào)節(jié),受操作人員的限制較多。若機(jī)組開(kāi)、停調(diào)整不及時(shí)或機(jī)組功率大小配置不合理,隨著用水量的變化,會(huì)出現(xiàn)供水壓力的大幅度波動(dòng)。供水壓力過(guò)低、不能滿足用戶要求。壓力過(guò)高時(shí),使管網(wǎng)泄漏和每噸水耗電量增加,造成浪費(fèi),容易造成爆管事故。
2.在第一種供水方式的基礎(chǔ)上,在管網(wǎng)中增設(shè)高位水池。這種方式可以緩解供水壓力的波動(dòng),也有一定的節(jié)能效果。但高位水池占地面積大、造價(jià)高。需要增加值班人員、對(duì)水質(zhì)也有二次污染。由于水池高度和其在管網(wǎng)中的位置受地理環(huán)境的限制,在很多水廠起到的節(jié)能效果并不明顯,只是在泵站短時(shí)停電時(shí)保證用戶用水的要求。因此采用這種供水方式不是佳的解決辦法。
目前,在水泵調(diào)速基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的恒壓供水技術(shù)已廣泛應(yīng)用于中小型水廠的泵站運(yùn)行控制,在提高供水質(zhì)量和降耗節(jié)能入自動(dòng)化生產(chǎn)方面都有十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
果較差。另一種是調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速如下:
水泵調(diào)速及節(jié)能分析
1.水泵調(diào)速節(jié)能分析
眾所周知,在水廠的網(wǎng)系統(tǒng)中,對(duì)于水泵,其揚(yáng)程(H)、流量(Q)、轉(zhuǎn)速(n)和軸功率(P)之間存在如下的關(guān)系:
Q=K1n H=K2n2
P=K3HQ=K1K2K3n3=Kn3
其中K1、K2、K3、K為常數(shù)??梢钥闯?,水泵出口流量與轉(zhuǎn)速成正比,揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比,消耗的軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。對(duì)水泵進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行,不僅對(duì)供水流量與壓力進(jìn)行調(diào)節(jié),而且有著非常明顯的節(jié)能效果。
2.調(diào)速方式分析
水泵調(diào)速的途徑有兩種。一種是電機(jī)轉(zhuǎn)速不變,通過(guò)電機(jī)與水泵間的耦合器來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的,常見(jiàn)有液力耦合器。這種方式效率低,節(jié)能效 果較差。另一種是調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速如下:
式中f為電源頻率,p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。S為轉(zhuǎn)差率。可見(jiàn)調(diào)速方式有多種,如調(diào)壓調(diào)速、變級(jí)調(diào)速、串級(jí)調(diào)速和變頻調(diào)速等。其中變頻調(diào)速由于其調(diào)速范圍寬、電機(jī)效率高、適用面廣、可改善電機(jī)功率因數(shù)、性能價(jià)格比高、節(jié)能效果最好等諸多優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越多地就用于需要調(diào)速的場(chǎng)合。目前變頻調(diào)速器(以下簡(jiǎn)稱變頻器)已廣泛應(yīng)用于水泵調(diào)速。
恒壓供水技術(shù)
恒壓供水的基本思路是:采用電機(jī)調(diào)速裝置控制水泵組調(diào)速運(yùn)行,并自動(dòng)調(diào)整水泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù),完成供水壓力的閉環(huán)控制,在管網(wǎng)流量變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)能的目的。系統(tǒng)任意設(shè)定供水壓力值,其與反饋總管的實(shí)際壓力值通過(guò)PID調(diào)節(jié)后控制調(diào)速裝置,以調(diào)節(jié)水泵機(jī)組的運(yùn)行速度,從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供水壓力。
恒壓供水技術(shù)采用的調(diào)速裝置基本上都是變頻調(diào)速器。而系統(tǒng)控制器的選用經(jīng)過(guò)了單板機(jī),單片機(jī)、溫控器、可編程序控制器(PLC)的發(fā)展過(guò)程。PLC控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)目前是恒壓供水控制的主流,它以可靠性高、編程簡(jiǎn)便、靈活性強(qiáng)、系統(tǒng)自動(dòng)化程度高等諸多優(yōu)點(diǎn)而受到普遍歡迎。PLC不僅可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID調(diào)節(jié)功能,并可完成水泵組的監(jiān)控、自動(dòng)抽真空、自動(dòng)抽剩余水等一系列控制功能,并可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制,以達(dá)到最佳的節(jié)電效果。
在中小型水廠的管網(wǎng)系統(tǒng)中,由于管網(wǎng)是封閉的,泵站供水的流量由用戶的用水量決定。泵站供水的壓力以滿足管網(wǎng)中壓力最不利點(diǎn)的用戶的用水要求為前提。而管網(wǎng)從泵站到壓力最不利點(diǎn)的壓力損失(△H)和流量(Q)之間存在著如下關(guān)系:
△H=k Q2
設(shè)HST為壓力最不利點(diǎn)所需要的最低壓力,則泵站出口總管壓力H按下式的關(guān)系供水,則可滿足用戶的要求,又有最佳的節(jié)電效果:
H= HST + △H= HST + K Q2
因此,供水系統(tǒng)的設(shè)定壓力應(yīng)該根據(jù)流量的變化而改變較為合理。這種恒壓供水技術(shù)稱為變量恒壓供水。采用這種方式供水時(shí)系統(tǒng)必須檢測(cè)泵站的出水流量,在我國(guó)目前的情況下,流量計(jì)的穩(wěn)定性、可靠性和準(zhǔn)確性都不高,用流量作為控制量會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制性能和可靠性產(chǎn)生較大的影響。因此這種調(diào)節(jié)方法在實(shí)際工程中應(yīng)用較少。但流量變化的規(guī)律基本上可以掌握,因此在大多數(shù)場(chǎng)合,都采用時(shí)鐘控制器定時(shí)自動(dòng)改變?cè)O(shè)定壓力的方法來(lái)近似流量的變化規(guī)律。實(shí)踐證明這種分時(shí)可變恒壓供水的方法可以達(dá)到比較理想的控制效果。
在有些場(chǎng)合,考慮到停電時(shí)的供水問(wèn)題,采用恒壓供水系統(tǒng)后還需要保留高位水池。這種情況下由于管網(wǎng)不是全封閉的,不能根據(jù)管網(wǎng)流量的變化來(lái)確定供水壓力。一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定一個(gè)比較合適的供水或根據(jù)高位水池的水位高低來(lái)調(diào)節(jié)供水壓力。
由于變頻器價(jià)格比較昂貴,在恒壓供水技術(shù)改造時(shí),一般采用一臺(tái)調(diào)速泵和多臺(tái)恒速泵并聯(lián)運(yùn)行。當(dāng)管網(wǎng)流量變化時(shí),采用開(kāi)停恒速泵進(jìn)行大調(diào),利用調(diào)速泵進(jìn)行細(xì)調(diào)。調(diào)速泵選擇泵站中的大泵,使調(diào)節(jié)范圍較大。恒速泵的功率以小于調(diào)速泵額定功率的三分之二大于調(diào)速泵額定功率的二分之一為好,這樣既可以保證調(diào)速泵運(yùn)行于高效區(qū),以提高調(diào)速泵的運(yùn)行效率,又可以保證調(diào)速泵有較寬的調(diào)節(jié)區(qū)域,以減少恒速泵的開(kāi)停。
應(yīng)用實(shí)例
下面以某水廠的PLC控制全自動(dòng)變頻恒壓供水系統(tǒng)為例,來(lái)介紹系統(tǒng)的組成、功能和控制效果。
水廠二級(jí)泵站中有三臺(tái)階25KW大泵和兩臺(tái)132KW小泵。每臺(tái)泵的出口配有電動(dòng)閥。原系統(tǒng)機(jī)組由自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)裝置啟動(dòng)運(yùn)行。管網(wǎng)中有一個(gè)兩千立方米的高位水池。
1.系統(tǒng)組成及功能
系統(tǒng)原理如圖1所示,主要由變頻器、PLC和低壓電氣元件組成。系統(tǒng)與原系統(tǒng)的自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)裝置及閥門控制器組成一個(gè)整體對(duì)五臺(tái)機(jī)組進(jìn)行自動(dòng)控制。變頻器選用日本三墾公司的MF-220K型變頻器,PLC選用德國(guó)西門于公司S7-200系列可編程控制器具有以下功能:
圖1
A.五臺(tái)泵可在任何時(shí)候選擇進(jìn)入或退出本控制系統(tǒng)。變頻器可對(duì)三臺(tái)大泵軟啟動(dòng)調(diào)速運(yùn)行,由PLC控制變頻/工頻切換。兩臺(tái)小泵可自動(dòng)通過(guò)啟動(dòng)柜投入系統(tǒng)運(yùn)行。變頻運(yùn)行機(jī)組和對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)柜實(shí)現(xiàn)可靠的電氣和軟件互鎖。以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
B.系統(tǒng)根據(jù)總管道的實(shí)際壓力變化,自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器運(yùn)行頻率,自動(dòng)改變投入系統(tǒng)運(yùn)行的機(jī)組,以跟蹤設(shè)定壓力。設(shè)定壓力可根據(jù)時(shí)鐘控制器或高位水池水位的變化來(lái)調(diào)節(jié)。
C. 系統(tǒng)有自動(dòng)/手動(dòng)切換功能,和原系統(tǒng)互為備用。
D.系統(tǒng)根據(jù)“先開(kāi)泵后開(kāi)閥,先關(guān)閥后停泵”的原則對(duì)泵出口電動(dòng)閥門的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。
E. 系統(tǒng)設(shè)有超水壓、欠水壓、變頻故障、閥門故障、山頂水池溢出
等故障的聲光報(bào)警指示和電壓、電流、水位、設(shè)定壓力、反饋壓力、閥門開(kāi)關(guān)狀態(tài)的指示。
2.基本控制原理
圖2為系統(tǒng)控制原理框圖。
PLC作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部件,完成模擬量的采樣、運(yùn)算和輸出,并完成控制系統(tǒng)的開(kāi)停、大泵的變頻/工頻切換、小泵的自動(dòng)投切、各種工況的監(jiān)控以及各種故障的檢測(cè)、判斷、處理和報(bào)警等任務(wù)。
圖2
系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定壓力與反饋壓力的偏差,通過(guò)PI調(diào)節(jié)器輸出的模擬信號(hào)來(lái)控制作變頻運(yùn)行的機(jī)組的運(yùn)行轉(zhuǎn)速,從而改變泵的出水流量來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)供水壓力的目的。當(dāng)設(shè)定壓力大于總管道的出水壓力時(shí),變頻泵的運(yùn)行頻率會(huì)不斷提高。當(dāng)變頻器的運(yùn)行頻率達(dá)到點(diǎn)50HZ,系統(tǒng)便開(kāi)始計(jì)時(shí)。如果200秒內(nèi)變頻泵的運(yùn)行頻率一直維持在50HZ運(yùn)行,系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)加泵。加泵時(shí)先加小泵,若系統(tǒng)中無(wú)小泵可加或已有一臺(tái)小泵運(yùn)行時(shí),便會(huì)加大泵。加泵時(shí),對(duì)于同容量的機(jī)組,以先切除先投入為原則。加大泵時(shí),原來(lái)作變頻運(yùn)行的機(jī)組切換到工頻運(yùn)行,后加入的機(jī)組由變頻器軟起動(dòng)并作變頻運(yùn)行。
當(dāng)設(shè)定壓力小于總管出水壓力時(shí),變頻器運(yùn)行頻率會(huì)不斷下降。當(dāng)變頻器的運(yùn)行頻率小于設(shè)定的減泵下限頻率時(shí),系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)時(shí)。如果15.0秒內(nèi)變頻器的運(yùn)行頻率一直維持在系統(tǒng)設(shè)定的減泵下限頻率以下,系統(tǒng)便自動(dòng)減一臺(tái)泵。減泵時(shí)以先投入先切除為原則,先減小泵再減大泵。系統(tǒng)中沒(méi)有作工頻運(yùn)行的泵時(shí)。系統(tǒng)不作減泵操作。
系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí),保證任何時(shí)候有一臺(tái)大泵作變頻運(yùn)行。如果系統(tǒng)剛運(yùn)行或原變頻機(jī)組由自動(dòng)轉(zhuǎn)手動(dòng)而使系統(tǒng)中沒(méi)有機(jī)組作變頻運(yùn)行,系統(tǒng)將先尋找處于自動(dòng)狀態(tài)下且沒(méi)有運(yùn)行的大機(jī)組作變頻運(yùn)行。如果沒(méi)有這樣的機(jī)組,系統(tǒng)便會(huì)去尋找一臺(tái)處于自動(dòng)狀態(tài)下作工頻運(yùn)行的機(jī)組,將其停機(jī)后再變頻起動(dòng)運(yùn)行。這兩種狀態(tài)的機(jī)組都沒(méi)找到,說(shuō)明所有大泵均處于手動(dòng)狀態(tài),系統(tǒng)會(huì)一直等待,直到有大泵由手動(dòng)投入自動(dòng)系統(tǒng)。
3.控制方式
系統(tǒng)根據(jù)壓力設(shè)定方法的不同,有兩種工作方式,可供用戶選擇:
1)分時(shí)控制方式。系統(tǒng)根據(jù)日供水量的變化規(guī)律,分時(shí)段由三檔壓力供水。時(shí)段的劃分由用戶完成,并存入PLC中。PLC中設(shè)有時(shí)鐘控制器,可根據(jù)時(shí)間自動(dòng)切換不同設(shè)定壓力檔。根據(jù)冬天和夏天供水量變化規(guī)律的不同,時(shí)段的劃分也已作了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。三檔壓力的設(shè)定值可由操作人員通過(guò)電位器方便地調(diào)整。時(shí)段劃分如下:
夏季——七、八、九月
Ⅰ檔壓力:05:00—09:00、11:00—15:00、17:00—24:00
Ⅱ檔壓力:09:00—11:00、15:00—17:00
Ⅲ檔壓力:00:00—05:00
冬季——除七、八、九月以外的時(shí)間
Ⅰ檔壓力:06:00—09:00、11:00—14:00、17:00—22:00
Ⅱ檔壓力:09:00—11:00、14:00—17:00、22:00—24:00
Ⅲ檔壓力:23:00—06:00
2)水位調(diào)節(jié)方式。系統(tǒng)的壓力設(shè)定值由Ⅰ檔壓力設(shè)定電位器來(lái)調(diào)節(jié),并根據(jù)山頂2000立方米水池的水位按以下規(guī)律作修正:
P=P-H/Ho(Po - PMIN)
式中: P——實(shí)際設(shè)定壓力值
Po——I檔壓力設(shè)定電位器的設(shè)定值(供水壓力上限設(shè)定值)
H——水池實(shí)際水位高度
Ho——水池水位上限設(shè)定值
PMIN ——供水壓力下限設(shè)定值
當(dāng)水池水位增高時(shí),實(shí)際供水壓力會(huì)隨之下降,水池水位達(dá)到上限時(shí),供水壓力達(dá)到壓力下限(此時(shí)管網(wǎng)的水應(yīng)該揚(yáng)不到水池中)。反之,當(dāng)水池水位降低時(shí),實(shí)際供水壓力會(huì)隨之升高,水池水位高度為零時(shí),供水壓力達(dá)到壓力上限。對(duì)水池水位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控,省去了原來(lái)的值班人員。
4.軟件編程的幾點(diǎn)說(shuō)明
本系統(tǒng)的控制程序是通過(guò)專用梯形圖編輯軟件在PC機(jī)上完成,再通過(guò)專用通信口傳輸?shù)絇LC中。編程過(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
A.模擬信號(hào)的采樣時(shí)間的確定。壓力信號(hào)選1-2秒。水位信號(hào)選5-8秒。
B.PI調(diào)節(jié)器的輸出結(jié)果需作上下限限幅處理,以保證壓力調(diào)節(jié)的快速性。上限值與變頻器的50HZ運(yùn)行頻率相對(duì)應(yīng),下限值要保證變頻器運(yùn)行在水泵高效工作區(qū)域,并和加減延時(shí)時(shí)間相配合,保證系統(tǒng)在加、減泵時(shí)不會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象(即加泵后立即減泵,減泵后又立即加泵的現(xiàn)象)。比例常數(shù)和積分常數(shù)的選取以系統(tǒng)供水壓力波動(dòng)能滿足要求,壓力調(diào)節(jié)快為原則,根據(jù)系統(tǒng)慣性大小在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)確定。
C.程序必須考慮機(jī)組故障和各種誤操作時(shí)的處理和報(bào)警,以確保系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。
D.對(duì)先投入先切除功能的實(shí)現(xiàn),程序中采用堆棧的方式。對(duì)三臺(tái)大歷史意義和兩臺(tái)小泵分別建立一張堆棧表,根據(jù)泵組的自動(dòng)/手動(dòng)情況、開(kāi)/停情況、故障情況、小泵開(kāi)停的準(zhǔn)優(yōu)先原則來(lái)確定下一次機(jī)組開(kāi)停的對(duì)象。
本系統(tǒng)使生產(chǎn)自動(dòng)化程度大大提高,操作方便,工人勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低。由于系統(tǒng)智能程度高,功能齊全。給系統(tǒng)的維護(hù)和檢修也帶來(lái)了極大的方便。運(yùn)行穩(wěn)定可靠,供水質(zhì)量明顯提高,可使用戶投訴減少。由于供水壓力穩(wěn)定,調(diào)整方便,有效地控制了由供水壓力過(guò)高引起的管漏和爆管現(xiàn)象。據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)測(cè)算,節(jié)電效果非常顯著,噸水單耗省電達(dá)20%,有很好的經(jīng)濟(jì)效益。
目前中小型泵站的控制設(shè)備普遍比較落后,自動(dòng)化程度低下,工人的素質(zhì)相對(duì)較低。根據(jù)現(xiàn)狀和我國(guó)對(duì)這類水廠的技改要求,在中小型水廠應(yīng)用PLC控制的變頻恒壓供水系統(tǒng),由于其技術(shù)先進(jìn)、自動(dòng)化程度高、可靠性高、操作簡(jiǎn)便、投資回報(bào)快、節(jié)能效果好等優(yōu)點(diǎn)而成為大勢(shì)所趨。我公司已愿與各中小型水廠合作完成恒壓供水的技術(shù)改造,使這些水廠在自動(dòng)化生產(chǎn)、節(jié)能和管理上都上了一個(gè)新的臺(tái)階。
本公司視質(zhì)量與信譽(yù)為企業(yè)的生命,我們?cè)概c各位用戶建立友好互利關(guān)系。
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