祁增慧 杜建軍 桂 垣 范永勝

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.張家口市供水總公司，河北 張家口 075000)

0 引 言

隨著我國(guó)中小城市的城市建設(shè)及其經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，對(duì)城市供水系統(tǒng)提出了更高的要求.供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)節(jié)能性直接影響城區(qū)的建設(shè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也影響到城區(qū)居民的正常工作和生活.

圖1 泵房供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

目前，國(guó)內(nèi)城市小區(qū)供水模式普遍采用城市管網(wǎng)直接供水模式或小區(qū)內(nèi)修建蓄水池，由變頻器拖動(dòng)若干臺(tái)水泵循環(huán)供水，夜間低速運(yùn)行或切換小功率泵工作模式.直接供水模式當(dāng)遇到城市供水管網(wǎng)壓力偏低，或出現(xiàn)故障，就無法正常生活工作，供水可靠性差；夜間低速運(yùn)行或切換小功率泵工作模式，雖然在一定程度上降低了功耗，但變頻器拖動(dòng)電機(jī)長(zhǎng)期低速運(yùn)行效率偏低，能耗提升，增大小區(qū)居民的生活成本，且夜間電機(jī)運(yùn)行有噪聲，對(duì)居民生活有一定的影響.有部分小區(qū)采用恒速泵+氣壓罐供水方式即利用封閉的氣壓罐代替高位水箱蓄水，通過監(jiān)測(cè)罐內(nèi)壓力來控制泵的開、停.其優(yōu)點(diǎn)是靈活性大，建設(shè)快，有一定的節(jié)能效果.缺點(diǎn)是此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機(jī)起動(dòng)頻繁，為減少水泵起動(dòng)次數(shù)，停泵前壓力往往比較高，致使水泵在低效段工作，而出水壓力無謂的增高，也使浪費(fèi)加大，從而限制了其發(fā)展.

“雙儲(chǔ)”模式即供水系統(tǒng)儲(chǔ)水和儲(chǔ)能的運(yùn)行模式，可有效解決小區(qū)供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)節(jié)能性，通過變頻機(jī)組與氣壓罐的“柔性”切換及供水系統(tǒng)參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié).獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)指標(biāo).

1 系統(tǒng)總體方案

德勝住宅小區(qū)基本情況及用水需求：用戶總數(shù)：500戶，最高樓層11層.泵房供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，依據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，考慮小區(qū)的地理環(huán)境和可靠性及節(jié)能要求，在小區(qū)地下建一供水泵房；泵房?jī)?nèi)建有儲(chǔ)量為100噸的貯水池一個(gè).泵房?jī)?nèi)設(shè)備：設(shè)計(jì)主水泵三臺(tái)(圖中1#、2#、3#泵)，流量：24噸/小時(shí)，揚(yáng)程：60米，電機(jī)功率7.5KW，高峰用水量：72噸/小時(shí)；輔助泵一臺(tái)(圖中4#泵)，流量：12噸/小時(shí)，揚(yáng)程：60米，電機(jī)功率4KW；自動(dòng)補(bǔ)氣式氣壓罐一個(gè).

本系統(tǒng)采用城市管網(wǎng)直供與小區(qū)二次加壓相結(jié)合的供水方式，當(dāng)城市管網(wǎng)壓力滿足要求時(shí)，小區(qū)水泵停止運(yùn)行，由城市管網(wǎng)直接供水，避免重復(fù)加壓，實(shí)現(xiàn)節(jié)能.在城市管網(wǎng)發(fā)生意外停水時(shí)，貯水池的儲(chǔ)水量可供小區(qū)居民三天的用量，滿足供水的可靠性，水泵運(yùn)行時(shí)，貯水池還可起穩(wěn)流緩沖作用.

當(dāng)城市管網(wǎng)壓力不足時(shí)，開啟小區(qū)水泵.根據(jù)小區(qū)用水量可分為小、中、和大三種情況，分別由氣壓罐、輔助泵及三臺(tái)主水泵的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)增、減壓，通過三臺(tái)主泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換并與氣壓罐及輔助泵合理切換，經(jīng)水壓反饋控制實(shí)現(xiàn)恒壓供水.輔助水泵運(yùn)行時(shí)，出水管經(jīng)氣壓罐進(jìn)入小區(qū)管網(wǎng)，通過對(duì)罐內(nèi)空氣的壓縮，實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)備，在夜間小區(qū)用水量小時(shí)，四臺(tái)水泵停機(jī)，由氣壓罐維持足夠的壓力.降低能耗，消除水泵運(yùn)行的噪聲.

2 恒壓供水系統(tǒng)的硬件電路

圖2所示為小區(qū)泵房供水系統(tǒng)電氣控制框圖，系統(tǒng)硬件電路由三部分組成.

圖2 泵房供水系統(tǒng)電氣控制框圖

(1)主電路：三相交流工頻市電經(jīng)開關(guān)和斷路器分為兩路，一路經(jīng)接觸器為水泵電機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)工頻運(yùn)行，另一路經(jīng)由變頻器及接觸器為水泵電機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行.

(2)繼電接觸器控制電路：本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)/手動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)變頻器或PLC自動(dòng)控制線路出現(xiàn)故障及一些特殊情況時(shí)，切換到手動(dòng)控制，由接觸器控制水泵的啟停.該部分還包括指示電路、計(jì)量電路及保護(hù)電路.

(3)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制電路：該部分電路包括PLC輸入、輸出端子與各被控設(shè)備及檢測(cè)部件的連接線路，變頻器各控制端子的連接線路及與壓力檢測(cè)反饋信號(hào)的連接線路.

3 供水狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換

供水狀態(tài)是指供水時(shí)按照用水量的大小設(shè)定投入運(yùn)行的水泵臺(tái)數(shù)及運(yùn)行狀況(工頻、變頻)或其他增壓設(shè)備.系統(tǒng)采用了三臺(tái)主水泵和一臺(tái)輔助泵供水結(jié)合氣壓罐及城市管網(wǎng)直供的方式滿足供水需求，其中只有主水泵參與變頻運(yùn)行，除城市管網(wǎng)直供的方式外共有11種有效供水狀態(tài)，見表1.

表1 系統(tǒng)供水狀態(tài)

圖3 供水狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

為避免每臺(tái)水泵處于長(zhǎng)期運(yùn)行或長(zhǎng)期停機(jī)狀態(tài)，充分應(yīng)用PLC邏輯控制能力，采用了多泵有效循環(huán)(即“先起先停”原則)結(jié)合大、小泵及氣壓罐的相互切換達(dá)到恒壓控制.供水狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示.圖中，箭頭向下為增泵過程，箭頭向上為減泵過程.增、減泵是通過PLC采集變頻器的上、下限頻率信號(hào)以及遠(yuǎn)傳壓力變送器所檢測(cè)的壓力上、下限信號(hào)通過軟件編程實(shí)現(xiàn)的.本系統(tǒng)所選用的遠(yuǎn)傳壓力變送器有兩路信號(hào)輸出，一路為即時(shí)壓力信號(hào)，與設(shè)定的壓力值比較形成偏差，經(jīng)內(nèi)置的PID運(yùn)算后控制拖動(dòng)電機(jī)變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水；另一路是通過設(shè)定壓力上、下限值，當(dāng)壓力達(dá)到該值時(shí)便產(chǎn)生超壓信號(hào)或欠壓信號(hào)，將該信號(hào)反饋到PLC對(duì)應(yīng)的輸入端子，作為減泵或增泵的條件之一.這樣設(shè)計(jì)雖然在增、減泵時(shí)水壓與設(shè)定值有一定的偏差(但在允許范圍內(nèi))，但可以有效地避免了電機(jī)可能出現(xiàn)的反復(fù)起、制動(dòng)，消除切換時(shí)對(duì)水泵和電機(jī)以及供水管路的沖擊，延長(zhǎng)使用壽命，減少故障率，即實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組之間以及與氣壓罐之間的“柔性”切換.在軟件編程時(shí)，設(shè)置3-5分鐘增、減泵的延時(shí)鎖定，保證“柔性”切換的可靠性.

4 動(dòng)、靜態(tài)性能分析

為全面提升系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能，本系統(tǒng)在壓力閉環(huán)控制通道設(shè)置了PID調(diào)節(jié)，小區(qū)供水系統(tǒng)由于所處地理位置、樓層高度、住戶數(shù)量的不同、難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，PID參數(shù)無法通過理論以及系統(tǒng)仿真確定，由于用戶在不同時(shí)段的用水量不同，投入的水泵數(shù)量不同，系統(tǒng)具有顯著的時(shí)變性，如果PID參數(shù)固定不變難以獲得滿意的效果.課題組通過對(duì)德勝小區(qū)供水系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，在不同供水狀態(tài)下依據(jù)控制規(guī)律反復(fù)調(diào)整PID參數(shù)直至達(dá)到相對(duì)滿意的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，記錄比例系數(shù)、積分和微分時(shí)間常數(shù)，并將其儲(chǔ)存在PLC中，運(yùn)行時(shí)，根據(jù)不同的供水狀態(tài)，按照模糊控制原則調(diào)用對(duì)應(yīng)的PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)過程控制的自適應(yīng)調(diào)節(jié).由于引入積分環(huán)節(jié)，理論上系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差，但現(xiàn)場(chǎng)變頻器顯示的頻率及壓力表顯示的壓力不斷變化，反映系統(tǒng)對(duì)用戶用水量變化帶來的干擾一直處于動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)過程中，壓力變化值很小，調(diào)節(jié)時(shí)間很短.

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于“雙儲(chǔ)”模式下的供水控制系統(tǒng)，通過地下貯水池設(shè)置，提高了小區(qū)供水的可靠性；采用小功率輔助泵+氣壓罐儲(chǔ)能結(jié)合城市管網(wǎng)直供的方式，并通過軟、硬件實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組之間以及與氣壓罐之間的“柔性”切換，在變頻控制的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步節(jié)能，減小狀態(tài)轉(zhuǎn)換的沖擊；對(duì)供水壓力的閉環(huán)模糊控制及一定范圍內(nèi)PID參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)性能，通

過對(duì)德勝小區(qū)供水系統(tǒng)近半年的運(yùn)行測(cè)試，各項(xiàng)性能指標(biāo)良好.本設(shè)計(jì)精度高、響應(yīng)快，節(jié)能顯著，有廣闊的應(yīng)用推廣價(jià)值.