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；P_A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P_A调节速度，其速度范围n_o~n_N，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P_A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P_B，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：P_i、P_j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/d^5.33                             （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

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P_ok，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P_ok，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)>Q_min时，保持P_max并输出警告；当Q(k－1)<Q_min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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