变频技术在萧山南片水厂恒压供水中的应用探讨

本文作者单建华先生，杭州萧山自来水公司工程师、副厂长。
关键词：变频调速　恒压供水　自来水厂

一   概述

随着萧山经济的迅猛发展和人民生活水平的日益提高，萧山区原有的3个自来水厂已经不能满足居民生活的需要；同时为了实现全区城镇区域供水的目标，新建了萧山区第四水厂——萧山南片水厂。

萧山南片水厂位于萧山区戴村镇，工程规模为30万吨/日，目前为10万吨/日。供水泵房安装卧式离心泵5台，其中3台10kV高压恒压泵，2台200kW、380V变频稳压泵，每台泵出口装有一个电动蝶阀。供水管网安装压力测量装置，通过无线数传设备传至中控室。

二   变频恒压供水技术

变频调速恒压供水技术以其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化(实际上为供水管网的压力变化)自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。

新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论在设备的投资、运行的经济性，还是在系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面，都具有无法比拟的优势，而且具有显着的节能效果。恒压供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并被不断投入开发、生产。目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化是未来供水设备适应城镇建设中成片开发智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。

在短短的几年内，调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。虽然单泵产品系统设计简易可靠，但单泵电动机深度调速造成水泵、电动机运行效率低，而多泵型产品的投资更为节省，运行效率也高，被实际证明是最优的系统设计，因此很快发展成为主导产品。

三   变频恒压供水控制方式

众所周知，水泵消耗功率与转速的三次方成正比，即N=Kn3，其中N为水泵消耗功率，n为水泵运行时的转速，K为比例系数。而水泵是按工频运行时速设计的，但供水时除高峰外，大部分时间流量较小，由于采用了变频技术及微机控制技术，因此可以使水泵运行的转速随流量的变化而变化，最终达到节能的目的。实践证明，使用变频设备可使水泵运行平均转速比工频转速降低20%，从而大大降低能耗，节能效率可达20~ 40%。

(1)带PID回路调节器和/或可编程序控制器(PLC)的控制方式

在该方式中，变频器的作用是为电动机提供可变频率的电源，实现电动机的无级调速，从而使管网水压可控。传感器的任务是检测管网水压；压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值；压力设定信号和压力反馈信号输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由后者进行运算后，输给变频器一个转速控制信号。

由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入/数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口端另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为模拟量。这样，可编程控制器的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入/输出的可编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入/输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。

(2)新型变频调速供水设备

针对传统的变频调供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新产品，如华为的TD2100，施耐德公司的Altivar58泵切换卡，SANKEN的SAMCO-I系列，ABB公司的ACS600、ACS400系列，富士公司的G11S/P11S系列等。这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存储容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑、稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。这类变频器的价格仅比通用变频器略高一点，但功能却强很多，所以采用带有内置PID功能的变频器生产出的恒压供水设备，降低了设备成本，提高了生产效率，节省了安装调试时间。在满足工艺要求的情况下应优先采用。

(3)供水专用变频器

供水专用变频器是将普通变频器和PLC控制器集成在一起，是集供水管控一体化的系统，内置供水专用PID调节器，只需加一只压力传感器，即可方便地组成供水闭环控制系统。传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的PID调节器输入口，而压力设定既可使用变频器的键盘设定，也可采用一只电位器以模拟量的形式送入。每日可设定多段压力运行，以适应供水压力的需要。也可设定指定日供水压力。面板可以直接显示压力反馈值(MPa)。

系统供水有两种基本运行方式：变频泵固定方式和变频泵循环方式。变频泵固定方式最多可以控制7台泵，可选择“先开先关”和“先开后关”(适用泵容量不同场合)两种水泵关闭顺序；变频泵循环方式最多可以控制4台泵，系统以“先开先关”的顺序关泵。

四   萧山南片水厂变频恒压供水控制系统

萧山南片水厂变频恒压供水控制系统通过遥测到的管网压力，经PLC 的PID运算后，将控制信号送至变频器，调节变频器的输出频率，实现管网的恒压供水。为防止水锤现象的产生，泵的启停将联动其出口阀门。

(1)自动投切泵

泵的自动投切只有在PLC全自动控制方式下才能实现。一般情况下，PLC通过采集管网压力，经PID运算后，把控制信号传至变频器，自动调节输出频率，进行恒压变量供水。但当变频器频率已升至50Hz或降至30Hz，管网压力仍不能满足要求时，PLC将执行投/切泵程序。

压力信号同时作为爆管报警的信号源，当管网的压力突然下降，而出水的流量超过正常值时，上位机将发出声光报警，并记录报警信息。

(2)启动程序

先检测清水池的水位，如果水位达到启泵水位，则启动启泵程序，启动水泵。启泵时先启动真空泵抽真空，如果真空度形成，则可以开阀，启泵完成。如果抽真空失败，则关闭真空泵，停止启泵并报警。

(3)投泵程序

当变频器升至50Hz，而管网压力仍低于压力设定值时， PLC将开始计时，在规定时间内，若管网压力达到设定压力值，则PLC放弃计时，继续变频调压；在规定时间内，若管网压力仍低于设定压力值，PLC 将首先降低变频器频率至一定范围，然后启动恒压泵。

(4)切泵程序

当变频器降至30Hz，而管网压力仍高于压力设定值时，PLC将开始计时，在规定时间内，若管网压力降低至设定压力值，则PLC放弃计时，继续变频调压；在规定时间内，若管网压力仍高于设定压力值，PLC 将切除恒压泵，同时变频器频率将升高，以满足管网压力要求；若管网压力仍高于压力设定值，PLC将会依次切除恒压泵，直至管网压力达到设定值。

(5)投切顺序

泵的投切将遵循“先投先切、先切先投”的切换控制方式。即水泵在切换时，PLC根据其运行状况，将其自动排列至运行队列或待运行队列中，在下次切换时，PLC将根据其排列顺序，自动投切水泵。当水泵出现故障时，PLC自动将其从切换队列中退出，以便维修人员对其进行维修，而系统仍在全自动控制方式下运行，实现变频恒压变流量供水。

(6)停泵程序

停泵时，先将出水阀门关至1/3位置，然后停泵，最后将阀门关闭。

五   结束语

萧山南片水厂采用变频恒压供水控制后，首先，在设计、施工中彻底取代了高位水箱、水池、水塔和气压罐供水等传统的供水方式，消除水质的二次污染，而且更具有节省能源、操作方便、自动化程度高等优点；其次，该厂的供水调峰能力明显提高，不仅对一天之内的中午和晚上的生活用水高峰，而且对由于天气情况引起的绿化用水高峰和时间不确定的基建用水高峰，都能正确自动调节；其三，大大减少了开泵、切换和停泵次数，由此减少对设备的冲击，延长使用寿命。