專業的流量儀表資料網

流量跟蹤穩壓節能供水控制的研究與應用2005年8月

摘要   簡單了介紹了城市供水網絡的構成,并分析了網路工作的特點及相應的控制策略。針對水廠實際供水網絡參數和控制系統的特點,提出了采用流量跟蹤的溫壓控制方法,闡述了系統軟硬件得設計,系統已投入實際使用,取得良好的節能效果。

關鍵詞  流量跟蹤    穩壓供水  變頻器

0  引言

   在水處理和調度運行成本中,水泵電機能耗占大部分。為有效利用水電資源,保證供水質量,常用變頻恒壓控制技術。當供水量變化時,調節電機速度,保持水廠出水壓力恒定,達到節能目的。通常以水廠出水壓力為控制對象,但水廠與用戶間涉及復雜供水管路,往往無法確保用戶端壓力恒定,難以有效節能和穩壓供水。因此根據管路、壓力和用戶特點,研究水泵電機速度的優化控制、降低能耗和提高供水質量具有重要意義,已有文章提出了某些優化控制方案[1~2]。本文根據水網特點,提出壓力跟蹤流量的控制方法,以實現高效節能和用戶端恒壓供水。

1  供水網絡工作特點

   鄉鎮供水與城市供水網絡不同,用戶分散,供水管路長,管路損耗大,有時中間需設有升壓站,以保持足夠水壓,對消防用水等要求較高的場合尤為重要。另外工廠類用戶集中的區域用水量較大,且其用水量、時間和水壓呈一定的變化規律,對管路水況影響也很大。

   某城郊水廠從河流抽水,進入水廠經沉淀過濾等處理后,再通過管道供給用戶。通常每天的8~24時供水量較大,白天工廠用戶為主,晚上18~24時,大多為居民用戶,清晨0~7時用水量為白天的一半。

   單臺水泵的輸出揚程與流量 有對應關系,將揚程換算成壓力P后可得關系式

                (1)

   式中: 為流量為零時的水泵揚程;A、 為換算系數和揚程比例系數;S、n為管阻系數和電機轉速。

   由式(1)可見,壓力與速度和流量的平方成正比,其功率與速度和流量的立方成正比。

   多臺水泵時,只需一臺泵調速,其余泵工作在工頻狀態或停機,圖1所示是其變頻調速的揚程流量特性曲線圖;PA與Q0的交點H0對應于有 臺水泵處于工頻工作而調速泵輸出流量為零(n0=0)時的揚程。在一定轉速下,流量增加時,壓力減少,一般變頻控制采用供水端恒壓,即當管道流量Q變化時,沿直線PA調節速度,其速度范圍no~nN,從管路系統考慮,流量發生變化,由于存在管阻,輸出端實際壓力不會保持恒定,若采用PA恒壓輸出,在大流量時,用戶端的出水壓力就達不到要求。若保持PB,小流量時,用戶端出水壓力超標,能源浪費大,且管道易受損。在不同流量Q0~Q4時,根據管阻系數S和用戶端要求壓力,就可計算水廠的輸出壓力,從而找到優化控制方案,使系統達到最佳的節能效果[2]。

圖1  水泵揚程流量特性曲線圖

2  控制策略

   供水網絡通常由多節點網狀管路組成,具有供水可靠穩定和便于維修的優點。圖2所示為某城郊水廠的供水網絡示意圖,箭頭表示水流方向。泵站水流經兩主干管路輸出再組成網絡,網絡節點分別為1、2、…10…i、j,最長路段30多公里。如考慮泵站到需保證水壓配水端的每條支路,一般先經若干段共同主干管道,再逐次到各支路[3],則管道各段的壓力與流量的對應關系可表示如下:

圖2  供水管道網絡配置示意圖

                                  (2)

式中:Pi、Pj為相鄰點的揚程,i流向j; 、 為相鄰節點間管阻系數和流量。

若按參考文獻[1]、[2]中多水泵管道揚程和流量的計算方法,根據式(2),由各支路組成方程組,進行多次迭代運算,可得出式(1)中總壓力與流量公式,計算較復雜,由于彎道和管道的粗細不均,使管阻系數S也難以準確。且隨著中間用戶用水量變化,中間接點的水流方向也發生變化,使計算公式誤差更大。因此可以采用更簡單實用的方法,如忽略局部阻力,該支路的管阻系數S[2]可表示為

S=ML/d5.33                             (3)

式中:M為與管道材料有關的系數;L為該管道的長度;d為管道內徑。

表1 各點壓力數據檢測

檢測點

出水壓力

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

如各支路流量均勻變化,可視S為定值,管阻系數S不隨流量和流速變化[2]。這樣可虛擬一條總管道網路,在水廠出口取數組P、Q數據,在需保證水壓的支路配水端點檢測其壓力Pok,考慮N條支路,可取

                                 (4)

這里要在不同的流量時測取多點壓力,分別通過式(1)計算管阻系數S,再對多組S取平均值。實際控制時,還須測試配水端點的壓力Pok,根據結果對S值進行修正。表1列出四個檢測點,再流量為高、低和一般值的760、1080和1340(km3/h)時檢測的各點壓力,據此算出管阻系數A·S分別為:33.32、34.48、35.78,取平均數為34.5。

3  硬件設計

   為便于參數采集、實時計算和控制,采用89C52單片機為主控制器,圖3所示為控制系統原理框圖,全部程序存放在內部Flash存儲器中,RAM數據存儲器采用電池作為斷電保護。采用5時帶燈液晶顯示屏,顯示流量、時間、累計運行時間、累計運行時間、給定和實際壓力等參數和曲線。鍵盤有6個鍵,分別為選行加、選位、數字加、退出、翻頁和電源開關,不觀測時,切斷顯示電源,防液晶老化。I/O信號為開關量輸入輸出,開關量輸入為變頻器故障、熱繼電器和接觸器動作確認、水位和電機極限溫度、閥門端點位置等檢測信號,開關量輸出通過繼電器和接觸器控制閥門和水泵電機、警告、報警等。通過RS-232口,將數據輸送到上層管理計算機,以便數據管理存儲和打印報表[4]。

               圖3 控制系統原理框圖

遠傳壓力表、電磁流量計和變頻器給定信號等采用4~20mA模擬量信號,以減少線路和干擾對系統的影響。非接觸式的電磁流量計,可靠性和精度較高,其輸出信號代表流速,根據管道直徑可方便得到流量。

單片機編程方便、速度快,但要加強抗干擾措施,提高可靠性。這里的外部干擾主要通過電源和接口進入系統,對前者采用寬穩壓(100~265V)開關電源、電源濾波器和合理接地及其它措施,MAX690A電源監控電路作為看門狗、后備電源切換和復位電路,當程序跑飛或死機時,便對單片機復位。開關量輸入輸出和A/D及D/A模擬量等信號均采用光電隔離電路。對所采集的遠傳壓力表參數設置數字濾波,以消除干擾和信號波動[5]。

4  軟件設計

所用控制算法含兩部分,一是壓力給定不變時的PID控制算法,可由變頻器程序完成。另一是當流量變化時,給定壓力跟隨流量變化而變化,必須兼顧給定配水點的壓力,適當選取 參數,一般配水點要求靜水壓300~350kPa[3]。表1中壓力波動在306~355kPa之間,可取平均值325kPa,根據系統控制策略可得出離散算法

                               (5)

式中:P(k)為當前需要控制的壓力(kPa);Q(k-1)為當前三次采用流量均值(m3/s)。

壓力計算與給定遵循以下原則:采用計算周期取5~10s之間,不需變化太快:P(k)>Qmin時,保持Pmax并輸出警告;當Q(k-1)<Qmin時,不對P(k)計算,保持原值。另外用水量與上下班期面、生產季節、汽溫和節假日等因素都有關,在計算式(5)中的P(k)時,可適當調整P0和S值,以保證相應供水配水點的平均輸出壓力的恒定控制。

圖4所示為系統控制軟件主程序流程框圖,剛開機時,先設較小的給定值(200kPa),且打開排氣閥(10分鐘后定時關斷),以避免對管道的沖擊。為避免對電機、水泵和電路的沖擊,變頻器采用延時啟動,啟動完后再打開出水閥,再經過幾分鐘,再采用初始給定值,這個給定值是根據時間不同而分別設定的。當檢測壓力、流量正常,運行5分鐘后,再采用式(5)計算,給出計算的第一次壓力給定值,并由變頻器對壓力進行PID控制,其中I值宜取大一些。

                           圖4控制主程序流程框圖

5  結束語

   采用流量跟蹤穩壓控制,輸出水壓控制在430~330kPa間,保證網絡優質穩定供水。用水高峰時開多臺280kW電機,一臺變頻,低谷時只需一臺變頻,電流調整范圍400A~80A,通常晚上為100A以下,節電效果明顯,對比采用流量跟蹤前,可多節電10%。該系統已運行一年多,系統可靠,性能良好,網絡管道維修時間大大減少,給定壓力自動跟隨流量改變,使用和監控非常方便。


 


無錫求信流量儀表有限公司
技術論文資料平臺提供
以上資料摘錄自《自動化儀表》雜志
電磁流量計 渦街流量計 流量計 蒸汽流量計 渦輪流量計 污水流量計
提醒:轉貼請注明出處

猫 咪app 成 人 抖 音