自動恒壓供水技術(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噸到十萬噸的范圍，水泵電機由380V低壓供電，單功率在315KW以下的水廠。這種規(guī)格的水廠在我國的中小城市、大中型工礦企業(yè)及經(jīng)濟發(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、小）三檔功率。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調(diào)節(jié)供水壓力。水泵電機同（自耦）變壓器降壓啟動裝置來啟動，啟動電流較大。一般采用以下兩種供水方式： 1.通過開、停不同組合的機組來調(diào)節(jié)供水壓力，直接給管網(wǎng)用戶供水。這種供水方式機組開、停頻繁，供水壓力只能作有級調(diào)節(jié)，受操作人員的限制較多。若機組開、停調(diào)整不及時或機組功率大小配置不合理，隨著用水量的變化，會出現(xiàn)供水壓力的大幅度波動。供水壓力過低、不能滿足用戶要求。壓力過高時，使管網(wǎng)泄漏和每噸水耗電量增加，造成浪費，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，也有一定的節(jié)能效果。但高位水池占地面積大、造價高。需要增加值班人員、對水質(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，只是在泵站短時停電時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)展起來的恒壓供水技術(shù)已廣泛應(yīng)用于中小型水廠的泵站運行控制，在提高供水質(zhì)量和降耗節(jié)能入自動化生產(chǎn)方面都有十分明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。 其中K1、K2、K3、K為常數(shù)。可以看出，水泵出口流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚程與轉(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。對水泵進行調(diào)速運行，不僅對供水流量與壓力進行調(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。一種是電機轉(zhuǎn)速不變，通過電機與水泵間的耦合器來達(dá)到調(diào)速的目的，常見有液力耦合器。這種方式效率低，節(jié)能效
果較差。另一種是調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。交流異步電機轉(zhuǎn)速如下： 恒壓供水的基本思路是：采用電機調(diào)速裝置控制水泵組調(diào)速運行，并自動調(diào)整水泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達(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，其與反饋總管的實際壓力值通過PID調(diào)節(jié)后控制調(diào)速裝置，以調(diào)節(jié)水泵機組的運行速度，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)過了單板機，單片機、溫控器、可編程序控制器（PLC）的發(fā)展過程。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、編程簡便、靈活性強、系統(tǒng)自動化程度高等諸多優(yōu)點而受到普遍歡迎。PLC不僅可以實現(xiàn)數(shù)字PID調(diào)節(jié)功能，并可完成水泵組的監(jiān)控、自動抽真空、自動抽剩余水等一系列控制功能，并可實現(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的壓力損失（△H）和流量（Q）之間存在著如下關(guān)系： 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系統(tǒng)必須檢測泵站的出水流量，在我國目前的情況下，流量計的穩(wěn)定性、可靠性和準(zhǔn)確性都不高，用流量作為控制量會對系統(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)場合，都采用時鐘控制器定時自動改變設(shè)定壓力的方法來近似流量的變化規(guī)律。實踐證明這種分時可變恒壓供水的方法可以達(dá)到比較理想的控制效果。 在有些場合，考慮到停電時的供水問題，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)流量的變化來確定供水壓力。一般根據(jù)經(jīng)驗確定一個比較合適的供水或根據(jù)高位水池的水位高低來調(diào)節(jié)供水壓力。 由于變頻器價格比較昂貴，在恒壓供水技術(shù)改造時，一般采用一臺調(diào)速泵和多臺恒速泵并聯(lián)運行。當(dāng)管網(wǎng)流量變化時，采用開停恒速泵進行大調(diào)，利用調(diào)速泵進行細(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)速泵運行于高效區(qū)，以提高調(diào)速泵的運行效率，又可以保證調(diào)速泵有較寬的調(diào)節(jié)區(qū)域，以減少恒速泵的開停。 下面以某水廠的PLC控制全自動變頻恒壓供水系統(tǒng)為例，來介紹系統(tǒng)的組成、功能和控制效果。 水廠二級泵站中有三臺階25KW大泵和兩臺132KW小泵。每臺泵的出口配有電動閥。原系統(tǒng)機組由自耦變壓器降壓啟動裝置啟動運行。管網(wǎng)中有一個兩千立方米的高位水池。

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)的自耦變壓器降壓啟動裝置及閥門控制器組成一個整體對五臺機組進行自動控制。變頻器選用日本三墾公司的MF-220K型變頻器，PLC選用德國西門于公司S7-200系列可編程控制器具有以下功能：

圖2為系統(tǒng)控制原理框圖。

PLC作為整個系統(tǒng)的核心控制部件，完成模擬量的采樣、運算和輸出，并完成控制系統(tǒng)的開停、大泵的變頻/工頻切換、小泵的自動投切、各種工況的監(jiān)控以及各種故障的檢測、判斷、處理和報警等任務(wù)。