1 引言
送水是自來水生產(chǎn)流程中的重要一環(huán)，送水壓力的穩(wěn)定及精確與否直接影響到千家萬戶的正常用水。早期的送水壓力調(diào)節(jié)是通過增減定速泵的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)的，因此壓力調(diào)節(jié)不連續(xù)，要準(zhǔn)確調(diào)節(jié)壓力很困難。近年來隨著新技術(shù)的應(yīng)用，特別是變頻技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，送水壓力的穩(wěn)定性及精確度都有了很大的提高。很多由國外全套引進(jìn)工藝和設(shè)備的自來水廠由于采用了這些技術(shù)，都收到了很好的效果，但是它們的送水系統(tǒng)普遍存在一個(gè)問題，就是有時(shí)產(chǎn)生振蕩，不能正常送水。茂名市自來水公司河?xùn)|水廠的送水系統(tǒng)就是其中一例。

2 系統(tǒng)描述
2.1 系統(tǒng)構(gòu)成
該自來水廠的送水系統(tǒng)采用由變頻泵、定速泵、自動(dòng)化儀表、可編程邏輯控制器(plc)及計(jì)算機(jī)(pc)組成的全自動(dòng)無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
該系統(tǒng)的框圖見圖1。

圖1 自來水廠送水系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖

其中變頻泵以最大頻率運(yùn)行時(shí)功率為400kw，流量2100m3/h，揚(yáng)程50m，定速泵功率、流量和揚(yáng)程與之相同。

送水系統(tǒng)根據(jù)管網(wǎng)壓力的變化調(diào)節(jié)變頻泵頻率，啟停定速泵，使管網(wǎng)壓力與壓力設(shè)定值相等，從而達(dá)到恒壓送水的目的。

2.2 系統(tǒng)調(diào)節(jié)關(guān)系式
系統(tǒng)采用pid(比例積分微分)算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，以下是系統(tǒng)調(diào)節(jié)的關(guān)系式:



2.3 控制過程的表述
具體控制過程表述如下:
(1) 從計(jì)算機(jī)輸入壓力設(shè)定值pset，啟動(dòng)變頻泵，pid調(diào)節(jié)器將根據(jù)用水量q的變化調(diào)節(jié)變頻泵頻率f，見式(1)，使送水壓力pout等于設(shè)定值pset ;
(2) 當(dāng)變頻泵頻率調(diào)至最大(fmax)而送水壓力仍小于設(shè)定值(pout<pset)時(shí)，則變頻泵頻率調(diào)至最小(fmin)，同時(shí)啟動(dòng)一臺(tái)定速泵，見式(3)，其余類推；
（3) 當(dāng)變頻泵頻率調(diào)至最小(fmin)而送水壓力仍大于設(shè)定值(pout>pset)時(shí)，則停止一臺(tái)定速泵，同時(shí)將變頻泵頻率上調(diào)，見式(5)，其余類推。

3 系統(tǒng)振蕩的原因
該系統(tǒng)在運(yùn)行過程中響應(yīng)速度快，壓力調(diào)節(jié)比較精確，體現(xiàn)了變頻調(diào)壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，但因設(shè)備選型時(shí)對(duì)變頻泵和定速泵的送水能力關(guān)系考慮不夠，導(dǎo)致系統(tǒng)存在一些問題，當(dāng)送水量處于某一區(qū)域時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，具體表現(xiàn)為定速泵頻繁啟停，變頻泵在最大和最小頻率間不停調(diào)節(jié)。這不僅影響到正常送水，而且對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)也造成很大的沖擊，鑒于這種情況在其它類似的水廠也存在，具有一定的代表性，下面就此作些探討。

由上述公式可知，系統(tǒng)將根據(jù)用水量的變化要求而進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得送水壓力等于壓力設(shè)定值(pout=pset)，但由于定速泵電機(jī)額定功率和變頻電機(jī)的最大功率一樣，揚(yáng)程和流量相同，所以變頻泵的最大送水能力和定速泵的送水能力一樣。

另因管網(wǎng)壓力的存在，變頻泵必須克服該壓力才能參與送水，即變頻泵的泵壓必須大于網(wǎng)壓(pf>pout)，否則泵出口形成負(fù)壓將導(dǎo)致止回閥無法打開，若變頻泵工作于該狀態(tài)，只會(huì)空耗電能，增加設(shè)備的損耗，并不能參與送水。為此，必須設(shè)定一個(gè)最小頻率fmin，以保證變頻泵以最小頻率運(yùn)行時(shí)不形成負(fù)壓，因此變頻泵頻率f的調(diào)節(jié)范圍必須在fmin < f < fmax，而不能在0 < f < fmin，該最小頻率fmin可在運(yùn)行過程中利用逐次逼近法獲得。

正是由于變頻泵的最大送水能力和定速泵的送水能力相同，以及變頻泵需克服管網(wǎng)壓力而必須設(shè)定最小頻率fmin，導(dǎo)致了送水能力存在死區(qū)(見圖2)，也就是系統(tǒng)無法提供滿足條件0 < q < qfmin (qfmin代表變頻泵以最小頻率運(yùn)行時(shí)的送水量)的送水量q，其中的q就是死區(qū)，若用qd表示，即為 0< qd < qfmin，不難理解，每啟動(dòng)一臺(tái)定速泵，都增加一個(gè)類似的死區(qū)，死區(qū)的數(shù)量比投入運(yùn)行的定速泵數(shù)量多一個(gè)，它是一組間隔的流量區(qū)域的集合，見圖2中的qd1，qd2，qd3……，用式表示即為:nqa < qd < nqa+qfmin (n=0，1，2，……，n為投入運(yùn)行的定速泵數(shù)量，qa為定速泵流量)。

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圖2 變頻泵與定速泵送水的死區(qū)示意圖

系統(tǒng)一旦進(jìn)入死區(qū)，便出現(xiàn)以下情況：送水壓力小于設(shè)定值，根據(jù)式(3)需啟動(dòng)一臺(tái)定速泵，而定速泵啟動(dòng)后，即使變頻泵頻率調(diào)至最小，送水壓力卻大于設(shè)定值，根據(jù)式(5)又要停止一臺(tái)定速泵，……，如此反復(fù)，便造成了系統(tǒng)的振蕩，影響正常送水，見圖3。

圖3 由死區(qū)造成的系統(tǒng)振蕩示意圖

4 清除系統(tǒng)振蕩的對(duì)策
系統(tǒng)振蕩雖然只是在送水量進(jìn)入死區(qū)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，但一旦出現(xiàn)，系統(tǒng)就不能正常送水。要避免系統(tǒng)的振蕩，可以有多種對(duì)策，以下是比較可行的幾種:

4.1 對(duì)策一
由于導(dǎo)致系統(tǒng)形成振蕩的主要原因是送水泵選型不當(dāng)，所以解決問題的最根本方法是將現(xiàn)有的變頻泵更換為容量更大的，或者將所有定速泵換成容量更小的，但前提必須滿足qfmax＞qa+qfmin，同時(shí)qa＞qfmin，否則會(huì)形成另一種的振蕩，在滿足qfmax＞qa+qfmin的前提下，qa比qfmin大得越多越好，這樣可以保證變頻泵有較大的調(diào)節(jié)范圍。本對(duì)策可從根本上解決振蕩，但需要較大的再投資，且造成原有設(shè)備的浪費(fèi)。

4.2 對(duì)策二
增加或更換其中一臺(tái)定速泵為a′, 使得qfmin<qa′<qa，為保證變頻泵有足夠的調(diào)節(jié)空間，qa′略大于qfmin為佳。并將式(3)和式(5)稍作更改如下:


相對(duì)于對(duì)策一而言，此法投資較省，但控制程序改動(dòng)較大，對(duì)系統(tǒng)管理人員要求較高。

4.3 對(duì)策三
這是一個(gè)在不改變?nèi)魏喂に囋O(shè)備，不增加投資前提下的簡單易行方案，方法是增設(shè)一個(gè)輔助壓力設(shè)定點(diǎn)pset1，以便系統(tǒng)在原設(shè)定點(diǎn)pset工作時(shí)產(chǎn)生振蕩后可切至該點(diǎn)工作以避開死區(qū)。由泵的流場曲線圖可知，相同流量時(shí)壓力不同則所需功率也不同，反應(yīng)到變頻泵上就是頻率不同，因此當(dāng)系統(tǒng)處于死區(qū)qd時(shí)，可調(diào)整壓力設(shè)定值使原來工作于死區(qū)的變頻泵(0 < f < fmin)能正常工作(fmin < f < fmax)，但pset1設(shè)定時(shí)要謹(jǐn)慎，如果設(shè)置時(shí)偏離原設(shè)定點(diǎn)太遠(yuǎn)，滿足不了送水要求，但若偏離太近，則避不開振蕩，具體數(shù)值可用逐次逼近法獲得。

系統(tǒng)運(yùn)行后先以原壓力設(shè)定點(diǎn)pset為調(diào)節(jié)目標(biāo)，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行至死區(qū)后(以每次定速泵啟動(dòng)后，ft < fmin and δf > -k5為判別條件），切換至輔助壓力設(shè)定點(diǎn)pset1繼續(xù)工作，等系統(tǒng)離開死區(qū)后(根據(jù)f=fmin+a判定，其中a為根據(jù)實(shí)際運(yùn)行時(shí)利用逐次逼近法得到的常量，例如10hz)，再切回原設(shè)定點(diǎn)pset工作，見圖4(其間的最小頻率會(huì)因設(shè)定點(diǎn)的變化而稍有變化，但由于變化很小，故可用原設(shè)定點(diǎn)時(shí)的最小頻率作為兩者的最小頻率，因?yàn)榍罢叽笥诤笳?，所以該最小頻率是適用的)。該對(duì)策不足之處是根據(jù)輔助壓力設(shè)定點(diǎn)pset1進(jìn)行調(diào)節(jié)的送水壓力比所要求的壓力會(huì)有一定的偏差，但不影響正常送水。

圖4 對(duì)策三：克服死區(qū)示意圖

茂名市自來水公司河?xùn)|水廠目前正在使用這一對(duì)策，管網(wǎng)要求送水壓力為5.0bar，我們?yōu)榇嗽O(shè)定了4.8bar作為輔助壓力設(shè)定點(diǎn)，雖然精度下降了4％，但實(shí)際運(yùn)行效果不錯(cuò)，基本能滿足送水要求。

5 結(jié)束語
對(duì)策還有很多，但不管怎么做，都只是補(bǔ)救措施，而且會(huì)存在這樣那樣的不便，要從根本上解決問題，必須在設(shè)計(jì)階段仔細(xì)分析，周密考慮，認(rèn)真做好設(shè)備選型工作，絕不能掉以輕心，這樣才不會(huì)使系統(tǒng)存在缺陷。