摘要   簡(jiǎn)單了介紹了城市供水網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成，并分析了網(wǎng)路工作的特點(diǎn)及相應(yīng)的控制策略。針對(duì)水廠實(shí)際供水網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了采用流量跟蹤的溫壓控制方法，闡述了系統(tǒng)軟硬件得設(shè)計(jì)，系統(tǒng)已投入實(shí)際使用，取得良好的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞  流量跟蹤    穩(wěn)壓供水  變頻器

0  引言

   在水處理和調(diào)度運(yùn)行成本中，水泵電機(jī)能耗占大部分。為有效利用水電資源，保證供水質(zhì)量，常用變頻恒壓控制技術(shù)。當(dāng)供水量變化時(shí)，調(diào)節(jié)電機(jī)速度，保持水廠出水壓力恒定，達(dá)到節(jié)能目的。通常以水廠出水壓力為控制對(duì)象，但水廠與用戶間涉及復(fù)雜供水管路，往往無法確保用戶端壓力恒定，難以有效節(jié)能和穩(wěn)壓供水。因此根據(jù)管路、壓力和用戶特點(diǎn)，研究水泵電機(jī)速度的優(yōu)化控制、降低能耗和提高供水質(zhì)量具有重要意義，已有文章提出了某些優(yōu)化控制方案^[1～2]。本文根據(jù)水網(wǎng)特點(diǎn)，提出壓力跟蹤流量的控制方法，以實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能和用戶端恒壓供水。

1  供水網(wǎng)絡(luò)工作特點(diǎn)

   鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水與城市供水網(wǎng)絡(luò)不同，用戶分散，供水管路長(zhǎng)，管路損耗大，有時(shí)中間需設(shè)有升壓站，以保持足夠水壓，對(duì)消防用水等要求較高的場(chǎng)合尤為重要。另外工廠類用戶集中的區(qū)域用水量較大，且其用水量、時(shí)間和水壓呈一定的變化規(guī)律，對(duì)管路水況影響也很大。

   某城郊水廠從河流抽水，進(jìn)入水廠經(jīng)沉淀過濾等處理后，再通過管道供給用戶。通常每天的8~24時(shí)供水量較大，白天工廠用戶為主，晚上18~24時(shí)，大多為居民用戶，清晨0~7時(shí)用水量為白天的一半。

   單臺(tái)水泵的輸出揚(yáng)程與流量 有對(duì)應(yīng)關(guān)系，將揚(yáng)程換算成壓力P后可得關(guān)系式

                （1）

   式中： 為流量為零時(shí)的水泵揚(yáng)程；A、 為換算系數(shù)和揚(yáng)程比例系數(shù)；S、n為管阻系數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速。

   由式（1）可見，壓力與速度和流量的平方成正比，其功率與速度和流量的立方成正比。

   多臺(tái)水泵時(shí)，只需一臺(tái)泵調(diào)速，其余泵工作在工頻狀態(tài)或停機(jī)，圖1所示是其變頻調(diào)速的揚(yáng)程流量特性曲線圖；P_A與Q₀的交點(diǎn)H₀對(duì)應(yīng)于有 臺(tái)水泵處于工頻工作而調(diào)速泵輸出流量為零（n₀=0）時(shí)的揚(yáng)程。在一定轉(zhuǎn)速下，流量增加時(shí)，壓力減少，一般變頻控制采用供水端恒壓，即當(dāng)管道流量Q變化時(shí)，沿直線P_A調(diào)節(jié)速度，其速度范圍n_o~n_N，從管路系統(tǒng)考慮，流量發(fā)生變化，由于存在管阻，輸出端實(shí)際壓力不會(huì)保持恒定，若采用P_A恒壓輸出，在大流量時(shí)，用戶端的出水壓力就達(dá)不到要求。若保持P_B，小流量時(shí)，用戶端出水壓力超標(biāo)，能源浪費(fèi)大，且管道易受損。在不同流量Q₀~Q₄時(shí)，根據(jù)管阻系數(shù)S和用戶端要求壓力，就可計(jì)算水廠的輸出壓力，從而找到優(yōu)化控制方案，使系統(tǒng)達(dá)到最佳的節(jié)能效果^[2]。

圖1  水泵揚(yáng)程流量特性曲線圖

2  控制策略

   供水網(wǎng)絡(luò)通常由多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)狀管路組成，具有供水可靠穩(wěn)定和便于維修的優(yōu)點(diǎn)。圖2所示為某城郊水廠的供水網(wǎng)絡(luò)示意圖，箭頭表示水流方向。泵站水流經(jīng)兩主干管路輸出再組成網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分別為1、2、…10…i、j，最長(zhǎng)路段30多公里。如考慮泵站到需保證水壓配水端的每條支路，一般先經(jīng)若干段共同主干管道，再逐次到各支路^[3]，則管道各段的壓力與流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系可表示如下：

圖2  供水管道網(wǎng)絡(luò)配置示意圖

                                  （2）

式中：P_i、P_j為相鄰點(diǎn)的揚(yáng)程，i流向j； 、 為相鄰節(jié)點(diǎn)間管阻系數(shù)和流量。

若按參考文獻(xiàn)[1]、[2]中多水泵管道揚(yáng)程和流量的計(jì)算方法，根據(jù)式（2），由各支路組成方程組，進(jìn)行多次迭代運(yùn)算，可得出式（1）中總壓力與流量公式，計(jì)算較復(fù)雜，由于彎道和管道的粗細(xì)不均，使管阻系數(shù)S也難以準(zhǔn)確。且隨著中間用戶用水量變化，中間接點(diǎn)的水流方向也發(fā)生變化，使計(jì)算公式誤差更大。因此可以采用更簡(jiǎn)單實(shí)用的方法，如忽略局部阻力，該支路的管阻系數(shù)S^[2]可表示為

S=ML/d^5.33                             （3）

式中：M為與管道材料有關(guān)的系數(shù)；L為該管道的長(zhǎng)度；d為管道內(nèi)徑。

表1 各點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)檢測(cè)

如各支路流量均勻變化，可視S為定值，管阻系數(shù)S不隨流量和流速變化[2]。這樣可虛擬一條總管道網(wǎng)路，在水廠出口取數(shù)組P、Q數(shù)據(jù)，在需保證水壓的支路配水端點(diǎn)檢測(cè)其壓力P_ok，考慮N條支路，可取

                                 （4）

這里要在不同的流量時(shí)測(cè)取多點(diǎn)壓力，分別通過式（1）計(jì)算管阻系數(shù)S，再對(duì)多組S取平均值。實(shí)際控制時(shí)，還須測(cè)試配水端點(diǎn)的壓力P_ok，根據(jù)結(jié)果對(duì)S值進(jìn)行修正。表1列出四個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，再流量為高、低和一般值的760、1080和1340（km³/h）時(shí)檢測(cè)的各點(diǎn)壓力，據(jù)此算出管阻系數(shù)A·S分別為：33.32、34.48、35.78，取平均數(shù)為34.5。

3  硬件設(shè)計(jì)

   為便于參數(shù)采集、實(shí)時(shí)計(jì)算和控制，采用89C52單片機(jī)為主控制器，圖3所示為控制系統(tǒng)原理框圖，全部程序存放在內(nèi)部Flash存儲(chǔ)器中，RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用電池作為斷電保護(hù)。采用5時(shí)帶燈液晶顯示屏，顯示流量、時(shí)間、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、給定和實(shí)際壓力等參數(shù)和曲線。鍵盤有6個(gè)鍵，分別為選行加、選位、數(shù)字加、退出、翻頁和電源開關(guān)，不觀測(cè)時(shí)，切斷顯示電源，防液晶老化。I/O信號(hào)為開關(guān)量輸入輸出，開關(guān)量輸入為變頻器故障、熱繼電器和接觸器動(dòng)作確認(rèn)、水位和電機(jī)極限溫度、閥門端點(diǎn)位置等檢測(cè)信號(hào)，開關(guān)量輸出通過繼電器和接觸器控制閥門和水泵電機(jī)、警告、報(bào)警等。通過RS－232口，將數(shù)據(jù)輸送到上層管理計(jì)算機(jī)，以便數(shù)據(jù)管理存儲(chǔ)和打印報(bào)表^[4]。

               圖3 控制系統(tǒng)原理框圖

遠(yuǎn)傳壓力表、電磁流量計(jì)和變頻器給定信號(hào)等采用4~20mA模擬量信號(hào)，以減少線路和干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。非接觸式的電磁流量計(jì)，可靠性和精度較高，其輸出信號(hào)代表流速，根據(jù)管道直徑可方便得到流量。

單片機(jī)編程方便、速度快，但要加強(qiáng)抗干擾措施，提高可靠性。這里的外部干擾主要通過電源和接口進(jìn)入系統(tǒng)，對(duì)前者采用寬穩(wěn)壓（100~265V）開關(guān)電源、電源濾波器和合理接地及其它措施，MAX690A電源監(jiān)控電路作為看門狗、后備電源切換和復(fù)位電路，當(dāng)程序跑飛或死機(jī)時(shí)，便對(duì)單片機(jī)復(fù)位。開關(guān)量輸入輸出和A/D及D/A模擬量等信號(hào)均采用光電隔離電路。對(duì)所采集的遠(yuǎn)傳壓力表參數(shù)設(shè)置數(shù)字濾波，以消除干擾和信號(hào)波動(dòng)^[5]。

4  軟件設(shè)計(jì)

所用控制算法含兩部分，一是壓力給定不變時(shí)的PID控制算法，可由變頻器程序完成。另一是當(dāng)流量變化時(shí)，給定壓力跟隨流量變化而變化，必須兼顧給定配水點(diǎn)的壓力，適當(dāng)選取 參數(shù)，一般配水點(diǎn)要求靜水壓300~350kPa[3]。表1中壓力波動(dòng)在306~355kPa之間，可取平均值325kPa，根據(jù)系統(tǒng)控制策略可得出離散算法

                               （5）

式中：P(k)為當(dāng)前需要控制的壓力(kPa)；Q（k－1）為當(dāng)前三次采用流量均值（m³/s）。

壓力計(jì)算與給定遵循以下原則：采用計(jì)算周期取5~10s之間，不需變化太快：P(k)>Q_min時(shí)，保持P_max并輸出警告；當(dāng)Q(k－1)<Q_min時(shí)，不對(duì)P(k)計(jì)算，保持原值。另外用水量與上下班期面、生產(chǎn)季節(jié)、汽溫和節(jié)假日等因素都有關(guān)，在計(jì)算式（5）中的P(k)時(shí)，可適當(dāng)調(diào)整P₀和S值，以保證相應(yīng)供水配水點(diǎn)的平均輸出壓力的恒定控制。

圖4所示為系統(tǒng)控制軟件主程序流程框圖，剛開機(jī)時(shí)，先設(shè)較小的給定值（200kPa），且打開排氣閥（10分鐘后定時(shí)關(guān)斷），以避免對(duì)管道的沖擊。為避免對(duì)電機(jī)、水泵和電路的沖擊，變頻器采用延時(shí)啟動(dòng)，啟動(dòng)完后再打開出水閥，再經(jīng)過幾分鐘，再采用初始給定值，這個(gè)給定值是根據(jù)時(shí)間不同而分別設(shè)定的。當(dāng)檢測(cè)壓力、流量正常，運(yùn)行5分鐘后，再采用式（5）計(jì)算，給出計(jì)算的第一次壓力給定值，并由變頻器對(duì)壓力進(jìn)行PID控制，其中I值宜取大一些。

                           圖4控制主程序流程框圖

5  結(jié)束語

   采用流量跟蹤穩(wěn)壓控制，輸出水壓控制在430~330kPa間，保證網(wǎng)絡(luò)優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定供水。用水高峰時(shí)開多臺(tái)280kW電機(jī)，一臺(tái)變頻，低谷時(shí)只需一臺(tái)變頻，電流調(diào)整范圍400A~80A，通常晚上為100A以下，節(jié)電效果明顯，對(duì)比采用流量跟蹤前，可多節(jié)電10％。該系統(tǒng)已運(yùn)行一年多，系統(tǒng)可靠，性能良好，網(wǎng)絡(luò)管道維修時(shí)間大大減少，給定壓力自動(dòng)跟隨流量改變，使用和監(jiān)控非常方便。