城乡生活小区供水系统的改造分析
王勇
摘要：随着社会经济的飞速发展及城乡建设规模的不断扩大，人们生活水平的逐步提高，功能不断完善。对于一些中小城市在推进新型城镇化、促进城乡协调发展方面有了新的探索及实践，例如我们对生活小区供水的质量、稳定性等问题提出了越来越高的要求，针对我们生活供水系统的供水量是随时间段变化而变化的，同时季节、昼夜相差很大的特点，导致用水多而供水少则水压低，用水少而供水多则水压高，因此要解决用水和供水的不平衡的矛盾。
关键词：供水系统；PID；变频；恒压；环保；节能
一、背景介绍
我国中小城市及城乡对供水的自动化配置相对落后，传统的方法是水箱和水塔或气罐加压方法，或是采用定时开关水泵或调节阀门开度，完全依靠值班人员对机组的控制，工作过程很烦琐，而且手动控制无法及时对供水管网的压力和水位变化做出反应。其结果往往容易造成水的二次污染、造成水质不好，供水质量变差，管网压力波动大，电能损耗大。为了确保供水的质量，机组的控制系统经常保持在超压的状态下运行，爆损现象很严重，同时安全性能无法保证。
本论文结合目前的供水现状，设计出了一套变频调速恒压供水系统，主要用于中小城市供水系统。
二、系统工作原理
本系统采用变频调速技术通过压力传感器的输出随时跟踪管网的出口压力，并将信号传送给变频器，变频器依据实际压力与设定理想压力的变化，即用水量的变化情况，经内部PID运算，自动调节变频器的输出频率，进而调节所控水泵的转速，在保持恒压情况下调节流量。在该系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n，从而改变水泵的性能曲线来实现的。另外在水泵的设计中，一般要留有一定的裕度，所以水泵在实际工作中是在额定流量下工作，根据水泵的特性曲线可知：当流量Q减小时，水泵的扬程H将升高，造成水泵扬程高于管网要求的扬程，这就出现了富裕扬程。克服富裕扬程是节能降耗的关键。采用变频器进行调速可以改变水泵的运行曲线，从而可以克服由于流量变化而产生的富裕流量。所以只要有一定的富裕扬程，采用变频调速技术节电是肯定的。变频调速恒压供水系统适应各种供水系统，节电率大约在20%- 40%。
三、系统构成方式
该恒压供水系统它的构成方式我们可以把它分为两类：
1. 以水池（水箱）为水源的二次加压恒压供水控制系统。该系统具有手动、自动两种控制方式。正常的情况下，该系统从安装在总管网出口处的压力传感器采集管网压力，系统依据该反馈信号做出判断，并对水泵进行变频调速，调节水泵的出水量，满足用户的用水需求，达到节能效果。当变频器发生故障时，切换到手动工频状态，以便水泵正常运行。该控制方式又分两种形式：（a）多泵恒压供水固定方式控制系统。为了达到变频恒压供水具有优良的节能效果，变频恒压供水常采用多泵并联的供水模式。多泵并联恒压供水系统，只需其中一台泵是变频泵，其余全是工频泵，便可以实现恒压变量供水。在变频恒压变量供水系统中，变频泵的出口流量是发生变化的，其中当变频泵是各并联泵中最大，即可保证恒压供水。多泵并联恒压供水系统，可以做到在恒压条件下各工频泵的效率不变，并使之处于高效率区工作，变频泵的流量是变化的，其工作效率隨流量而改变的。随着变频泵的功率降低，多泵并联恒压供水系统，可以降低多泵并联变频恒压供水系统的能耗，改善节能状况。（b）多泵恒压供水循环软启动方式控制系统。此系统为实现恒压，由一台变频器依次控制每台水泵软启动及转速的调节。该供水系统原理如上所述。不同之处为，变量泵达到水泵设定的额定转速以后，水压如仍不能够满足所设定的恒压值，那么该水泵自动切换到工频状态，并指示下一台为变量泵，运行过程同前所述。
2. 循环水恒压（恒流量）控制系统。该系统主要用于热水采暖系统之中，整个系统运行中，由变频器固定控制一台水泵，其余水泵以工频方式自动投入，通过调节恒定的压力，来调节循环水的流量，从而达到节约热能的效果。
四、系统的性能特点
该供水系统具有以下几个性能特点：
1. 节能效果显著。变频调速恒压供水系统具有优良的节能效果，系统采用变频调速技术，在保持恒压的前提下满足用户用水量的要求，大大提高了水泵电机和管网效率，比传统的供水方式节能20%- 40%。
2. 压力恒定。采用压力传感器来采集水压信号（4- 20MA或- 5V），直接反馈到变频器的控制口，通过设定好的压力值、PID参数值，进行PID运算，适时自动控制泵的切换操作。压力数值可任意连续设定，稳定时压力控制精度〈- 1%。〉
3. 手/自动两种控制方式。在正常情况下采用全自动控制方式，根据设定压力及传感器反馈的管网压力经PID运算自动调节电机转速，从而调节供水流量，在保持恒压下满足生产用水要求，整个过程全部自动实现，无须人来干预。当变频器发生故障时，可切换到手动状态使水泵正常运行。压力控制采用数字控制、智能调节。系统响应快、精度高、稳定性好，操作维护简单方便。
3. 循环软启动。水泵电机循环软起停，采用自补偿切换技术，系统电器及机械冲击小，能显著处长电控元件及水泵寿命。
4. “休眠”功能。系统运行时经常会遇到用户用水量较小或不用水（如夜晚、上班）情况，为了节能，ABB变频器具有自动睡眠功能即在无人用水的情况下，变频在最低频率运行，如果持续时间超过设定的睡眠延时，变频器自动停止工作。这样既延长了水泵和控制柜的使用寿命，又节约了能源。当有人用水时，管道中的水压发生变化，达到变频器的唤醒值时，变频器从休眠状态唤醒，水泵继续工作。
5. 全面保护功能和故障自诊断功能。对整个供水系统来说，不仅需要实现自动调节水泵转速和软启动的功能，并且系统设有无水保护装置，在无水情况下，及时停泵并给出报警信号；同时系统对水泵电机的过流、过热、欠压、过压及变频器故障等均能自行诊断，及时给出报警信号。
综上所述，为了能够最大程度地提高整个供水系统效率、延长系统寿命、节约能源，常常我们采用自动化程度较高的变频恒压供水系统，该系统运行稳定可靠，占地面积小，自动化程度高，操作控制方便等特点。
参考文献
[1]张全庄.PLC在恒压供水变频调速控制系统中的应用.2004：10.235—243
