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流量跟踪稳压节能供水控制的研究与应用2005年8月

摘要   简单了介绍了城市供水网络的构成,并分析了网路工作的特点及相应的控制策略。针对水厂实际供水网络参数和控制系统的特点,提出了采用流量跟踪的温压控制方法,阐述了系统软硬件得设计,系统已投入实际使用,取得良好的节能效果。

关键词  流量跟踪    稳压供水  变频器

0  引言

   在水处理和调度运行成本中,水泵电机能耗占大部分。为有效利用水电资源,保证供水质量,常用变频恒压控制技术。当供水量变化时,调节电机速度,保持水厂出水压力恒定,达到节能目的。通常以水厂出水压力为控制对象,但水厂与用户间涉及复杂供水管路,往往无法确保用户端压力恒定,难以有效节能和稳压供水。因此根据管路、压力和用户特点,研究水泵电机速度的优化控制、降低能耗和提高供水质量具有重要意义,已有文章提出了某些优化控制方案[1~2]。本文根据水网特点,提出压力跟踪流量的控制方法,以实现高效节能和用户端恒压供水。

1  供水网络工作特点

   乡镇供水与城市供水网络不同,用户分散,供水管路长,管路损耗大,有时中间需设有升压站,以保持足够水压,对消防用水等要求较高的场合尤为重要。另外工厂类用户集中的区域用水量较大,且其用水量、时间和水压呈一定的变化规律,对管路水况影响也很大。

   某城郊水厂从河流抽水,进入水厂经沉淀过滤等处理后,再通过管道供给用户。通常每天的8~24时供水量较大,白天工厂用户为主,晚上18~24时,大多为居民用户,清晨0~7时用水量为白天的一半。

   单台水泵的输出扬程与流量 有对应关系,将扬程换算成压力P后可得关系式

                (1)

   式中: 为流量为零时的水泵扬程;A、 为换算系数和扬程比例系数;S、n为管阻系数和电机转速。

   由式(1)可见,压力与速度和流量的平方成正比,其功率与速度和流量的立方成正比。

   多台水泵时,只需一台泵调速,其余泵工作在工频状态或停机,图1所示是其变频调速的扬程流量特性曲线图;PA与Q0的交点H0对应于有 台水泵处于工频工作而调速泵输出流量为零(n0=0)时的扬程。在一定转速下,流量增加时,压力减少,一般变频控制采用供水端恒压,即当管道流量Q变化时,沿直线PA调节速度,其速度范围no~nN,从管路系统考虑,流量发生变化,由于存在管阻,输出端实际压力不会保持恒定,若采用PA恒压输出,在大流量时,用户端的出水压力就达不到要求。若保持PB,小流量时,用户端出水压力超标,能源浪费大,且管道易受损。在不同流量Q0~Q4时,根据管阻系数S和用户端要求压力,就可计算水厂的输出压力,从而找到优化控制方案,使系统达到最佳的节能效果[2]

图1  水泵扬程流量特性曲线图

2  控制策略

   供水网络通常由多节点网状管路组成,具有供水可靠稳定和便于维修的优点。图2所示为某城郊水厂的供水网络示意图,箭头表示水流方向。泵站水流经两主干管路输出再组成网络,网络节点分别为1、2、…10…i、j,最长路段30多公里。如考虑泵站到需保证水压配水端的每条支路,一般先经若干段共同主干管道,再逐次到各支路[3],则管道各段的压力与流量的对应关系可表示如下:

图2  供水管道网络配置示意图

                                  (2)

式中:Pi、Pj为相邻点的扬程,i流向j; 为相邻节点间管阻系数和流量。

若按参考文献[1]、[2]中多水泵管道扬程和流量的计算方法,根据式(2),由各支路组成方程组,进行多次迭代运算,可得出式(1)中总压力与流量公式,计算较复杂,由于弯道和管道的粗细不均,使管阻系数S也难以准确。且随着中间用户用水量变化,中间接点的水流方向也发生变化,使计算公式误差更大。因此可以采用更简单实用的方法,如忽略局部阻力,该支路的管阻系数S[2]可表示为

S=ML/d5.33                             (3)

式中:M为与管道材料有关的系数;L为该管道的长度;d为管道内径。

表1 各点压力数据检测

检测点

出水压力

330(kPa)

370(kPa)

410(kPa)

P1(kPa)

P2(kPa)

P3(kPa)

P4(kPa)

流量(km3/h)

316

312

310

305

760

337

332

328

320

1080

355

352

344

332

1340

如各支路流量均匀变化,可视S为定值,管阻系数S不随流量和流速变化[2]。这样可虚拟一条总管道网路,在水厂出口取数组P、Q数据,在需保证水压的支路配水端点检测其压力Pok,考虑N条支路,可取

                                 (4)

这里要在不同的流量时测取多点压力,分别通过式(1)计算管阻系数S,再对多组S取平均值。实际控制时,还须测试配水端点的压力Pok,根据结果对S值进行修正。表1列出四个检测点,再流量为高、低和一般值的760、1080和1340(km3/h)时检测的各点压力,据此算出管阻系数A·S分别为:33.32、34.48、35.78,取平均数为34.5。

3  硬件设计

   为便于参数采集、实时计算和控制,采用89C52单片机为主控制器,图3所示为控制系统原理框图,全部程序存放在内部Flash存储器中,RAM数据存储器采用电池作为断电保护。采用5时带灯液晶显示屏,显示流量、时间、累计运行时间、累计运行时间、给定和实际压力等参数和曲线。键盘有6个键,分别为选行加、选位、数字加、退出、翻页和电源开关,不观测时,切断显示电源,防液晶老化。I/O信号为开关量输入输出,开关量输入为变频器故障、热继电器和接触器动作确认、水位和电机极限温度、阀门端点位置等检测信号,开关量输出通过继电器和接触器控制阀门和水泵电机、警告、报警等。通过RS-232口,将数据输送到上层管理计算机,以便数据管理存储和打印报表[4]

               图3 控制系统原理框图

远传压力表、电磁流量计和变频器给定信号等采用4~20mA模拟量信号,以减少线路和干扰对系统的影响。非接触式的电磁流量计,可靠性和精度较高,其输出信号代表流速,根据管道直径可方便得到流量。

单片机编程方便、速度快,但要加强抗干扰措施,提高可靠性。这里的外部干扰主要通过电源和接口进入系统,对前者采用宽稳压(100~265V)开关电源、电源滤波器和合理接地及其它措施,MAX690A电源监控电路作为看门狗、后备电源切换和复位电路,当程序跑飞或死机时,便对单片机复位。开关量输入输出和A/D及D/A模拟量等信号均采用光电隔离电路。对所采集的远传压力表参数设置数字滤波,以消除干扰和信号波动[5]

4  软件设计

所用控制算法含两部分,一是压力给定不变时的PID控制算法,可由变频器程序完成。另一是当流量变化时,给定压力跟随流量变化而变化,必须兼顾给定配水点的压力,适当选取 参数,一般配水点要求静水压300~350kPa[3]。表1中压力波动在306~355kPa之间,可取平均值325kPa,根据系统控制策略可得出离散算法

                               (5)

式中:P(k)为当前需要控制的压力(kPa);Q(k-1)为当前三次采用流量均值(m3/s)。

压力计算与给定遵循以下原则:采用计算周期取5~10s之间,不需变化太快:P(k)>Qmin时,保持Pmax并输出警告;当Q(k-1)<Qmin时,不对P(k)计算,保持原值。另外用水量与上下班期面、生产季节、汽温和节假日等因素都有关,在计算式(5)中的P(k)时,可适当调整P0和S值,以保证相应供水配水点的平均输出压力的恒定控制。

图4所示为系统控制软件主程序流程框图,刚开机时,先设较小的给定值(200kPa),且打开排气阀(10分钟后定时关断),以避免对管道的冲击。为避免对电机、水泵和电路的冲击,变频器采用延时启动,启动完后再打开出水阀,再经过几分钟,再采用初始给定值,这个给定值是根据时间不同而分别设定的。当检测压力、流量正常,运行5分钟后,再采用式(5)计算,给出计算的第一次压力给定值,并由变频器对压力进行PID控制,其中I值宜取大一些。

                           图4控制主程序流程框图

5  结束语

   采用流量跟踪稳压控制,输出水压控制在430~330kPa间,保证网络优质稳定供水。用水高峰时开多台280kW电机,一台变频,低谷时只需一台变频,电流调整范围400A~80A,通常晚上为100A以下,节电效果明显,对比采用流量跟踪前,可多节电10%。该系统已运行一年多,系统可靠,性能良好,网络管道维修时间大大减少,给定压力自动跟随流量改变,使用和监控非常方便。


 


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以上资料摘录自《自动化仪表》杂志
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