宿迁银控自来水公司供水改造方案

1、对于大多数采用供水企业来说，传统供水机泵存在日常运行费用太高，供水 成本居高不下，单位供水的能耗偏大的问题，寻求供水与能耗之间的最佳性价比， 是困扰企业的一个长期问题。目前各供水厂的供水机泵设计按最大扬程与最大流 量这一最不利条件设计，水泵大多数时间在设计效率以下运行。导致电动机与水 泵之间常常出现大马拉小车问题（如图1.1）。因此，如何解决供水与能耗之间的 不平衡，寻求提高供水效率的整体解决方案，是各供水解水企业关心的焦点问题 之一。，.2变频恒压供水产生的背景和意义我国长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一 直比较落后，工业自动化程度低。主要表现在用水高峰期，水的供

2、给量常常低于 需求量，出现水压降低供不应求的现象;而在用水低峰期，水的供给量常常高于 需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时会造成能量的浪费，同时还有可能 造成水管爆裂和用水设备的损坏。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启 /停电 机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负 荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命;后者则需要大量的占地与投资。且 由于是二次供水，不能保证供水质的安全与可靠性。而变频调速式的运行十分稳 定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了 电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。由此可见，变频调 速恒压

3、供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调 节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会 效益。1.3变频恒压供水的现况13.1国内外变频供水系统现状变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。目前国外的恒 压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。国外变频供水系统在设计时主 要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。这种方式运行安全可靠，变压方式 更灵活。此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，因而投资成本高。国外生产的变频器，特别是供水厂用变频器，相对于国产变频器而言，价格明显偏高， 维护成本也高于国内产品。目前国内有不少公司在

4、从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要 采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水， 在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的 优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国 产变频器有待于进一步改进和完善r仆网。1.3.2变频供水系统应用范围变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类（1）小区供水（加压泵站）变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压 站，特点是变频控制的电机功率小，一般在135kw以下，控制系统简单。由于这目前国内，除了高

5、压变频供水系统，多数恒压供水变频系统均声称只要改变 容量就可以通用于各种供水范围，但在实际运用中，不同供水环境对变频器的要 求和控制方式是不一致的，大多数变频器并不能真正实现通用。以中小水厂供水 环境来说，由于其包括了自来水生产系统，其温湿度及腐蚀程度都大于常见小区 和加压泵站，在水泵组搭配上、需要处理的信号(如水质信号停机管理)也多于小 区供水系统，所以在部分条件复杂的中小水厂，采用通用的恒压供水变频系统并 不能完全满足实践要求，现部分中小水厂已认识到这一情况，并针对实际情况对 变频恒压供水系统加以改进和完善.在变频恒压供水系统中，供水压力是通过对变频器输出频率的控制来实现的。确定供水压力和

6、输出频率的关系是设计控制环节控制策略的基础，是确定控制算 法的依据。送水泵站所采用的水泵是离心泵，它是通过装有叶片的叶轮高速旋转来完成 对水流的输送，也就是通过叶轮高速旋转带动水流高速旋转，靠水流产生的离心 力将水流甩出去。离心泵也因此而得名。在给水排水工程中，从使用水泵的角度来看， 水泵的工作必然要和管路系统以及许多外界条件联系在一起.在给水排水工程中，把水泵配上管路以及一切附件后的系统称为“装置”，在控制系统的设计中，真正对系统的分析和设计有价值的也是这种成为系统的装置，而不是单单 的孤立水泵。3变频恒压供水系统的构成及控制原理3.1变频恒压供水控制系统的构成方案从变频恒压供水的原理分析可

7、知，该系统主要有压力传感器、压力变送器、 变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成.系统主要的设计任务是利 用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒 定和水泵电机的软启动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据 进行传输。根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，有以下几种方案可 供选择。有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器这种控制系统结构简单，它将Pm调节器和P比可编程控制器等硬件集成在 变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。它虽 然简化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示方面比 较麻烦

8、，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数寻优 困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。其输出接口的扩展功能缺 乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的 小容量场合。通用变频器十单片机(包括变频控制、调节器控制)十人机界面+压力传感器;这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性能价格 比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差， 同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以 必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的 小容量的变频恒压供水中

9、。通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制卜人机界面+压力传感器这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换;通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种 规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定P比的硬件配置和拍的外 部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制 程序，所以现场调试方便。同时由于P比的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统 的可靠性大大提高。因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与 供水机组的容量大小无关。3.2变频恒压供水系统的结构通过变频恒压供水系统我们可以看出变频调速恒压供水系统由

10、执行机构 、信号检测、控制系统、人机界面、通讯接口以及报警装置等部分组成。如图3.1所 不.图3.1变频恒压供水构成图3,1 Composition of frequencyand constant pressure water supply3.2.1执行机构执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网.通常这些水泵包括：调速泵:是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用 水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。恒速泵:水泵运行只在工频状态，速度恒定，它们用以在用水量增大而 调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充.此外，通常一些变频系统还会增设附属小泵，它

11、只运行于启、停两种工作状 态，用以在用水量很小的情况下(例如液间)对管网用水量进行少量的补充.3.2.2信号检测在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液位信号和报警信号水压信号:它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反 馈信号。此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行冉刃转换。另外为加强系统 的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测。检测结 果可以送给PLC，作为数字量输入。液位信号:它反映水泵的进水水源是否充足。信号有效时。控制系统要 对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自在安装于 水源处(在乐山第一水厂设计中，为清水池水位)的

12、液位传感器。报警信号:它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常， 该信号为开关量信号。3.2.3控制系统供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器质比系统)、变频 器和电控设备三个部分：供水控制器:它是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据 信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和 接触器对执行机构(即水泵成行控制.变频器:它是对水泵进行转速控制的单元.变频器跟踪供水控制器送来 的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。根据水泵机组中 水泵被变频器

13、拖动的情况不同，变频器有如下两种工作方式：变频循环式:变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz 时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该 水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机。变频固定式:变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz 时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台 恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择。变频器的电控设备它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组 成.用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换及就地/集中等

14、 工作。3.2.4人机界面人机界面是人与机器进行信息交流的场所。通过人机界面，使用者可以更改 设定压力，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机 界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。人机界面还可以对系统的运 行过程进行监视，对报警进行显示。32.5通讯接口通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件 以及其他的工业监控系统进行数据交换;同时通过通讯接口，还可以将现代先进的 网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等。3.2.6报警装置作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于 不同的供水领域，所以为

15、了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、 变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报 警量进行监测，由P比判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的 损失。在PLC中实现PID控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此模 拟控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法。目前多数的PLC 一般都具有PID模块或PID指令，能实现PID控制功能。压力传感器将检测到的管道压力信号转换为4-20mA的电流信号，送到P鱿的模 拟量输入模块，通过PLC的PID运算，由模拟量输出模块产生的标准电流信号到变频器的频率给定接口，通过改变水泵电机运行频率从而调整

16、管网压力。4变频恒压供水系统的设计4，1乐山市第一水厂的现况乐山市第一水厂为乐山城市北部的一个供水厂，设计供水能力3万立方淞 日，是典型的中小供水厂，第一水厂曾是乐山老城区的供水主力水厂，随着城市 的发展，第一水厂的供水地位有所下降，目前主要承担辅助性供水任务，日供水 量在1 一 2万立方米，合理供水压力在0.304MPa之间.小时供水量在500、1000 立方湘小时，夜间1一2时会停机，重新启动后有2一3小时的小流量补水运行，这 时的流量在100 一 400立方湘小时。4.1.2供水电机运行情况0)电机及水泵搭配情况乐山市第一水厂共有四台电机水泵负责供水，其中一台为备用机泵，日常供 水主供机

17、泵三台，但同时最多只使用两台。具体机泵型号如表1所示。(2)供水机组运行方式4.2变频改造的可行性分析4.2.1变频改造的意义通过第一水厂变频器的改造，可以实现恒压供水，确保供水稳定，同时可能 产生节能增效的作用.第一水厂作为辅助水厂，在第一水厂变频器改造的成功， 也能为乐山主力供水厂提供可靠的变频器设计和使用经验。4.2.2理论可行性在第二章已对变频电机的理论和在恒压供水中所产生的效果进行了理论分 析，在第一水厂中，供水压力长期恒定在0.35 一 0.4MPa之间，在实际操作中，也 经常采用机组切换及阀门掩阀操作.在理论上，如在第一水厂采用变频电机实现 恒压供水，对恒定供水压力确保管网压力的稳定、减少启动电流、节约电耗都可 以产生积极和效果。4.2.3技术可行性4.2.5社会效益分析水厂作为公用事业企业，社会效益在企业中的重要性甚至要大于经济效益， 采用变频供水后，从第二章的分析可以看出，可以实现