1 引言
送水是自来水生产流程中的重要一环，送水压力的稳定及精确与否直接影响到千家万户的正常用水。早期的送水压力调节是通过增减定速泵的数量来实现的，因此压力调节不连续，要准确调节压力很困难。近年来随着新技术的应用，特别是变频技术和自动化技术的应用，送水压力的稳定性及精确度都有了很大的提高。很多由国外全套引进工艺和设备的自来水厂由于采用了这些技术，都收到了很好的效果，但是它们的送水系统普遍存在一个问题，就是有时产生振荡，不能正常送水。茂名市自来水公司河东水厂的送水系统就是其中一例。
2 系统描述
2.1 系统构成
该自来水厂的送水系统采用由变频泵、定速泵、自动化仪表、可编程逻辑控制器(plc)及计算机(pc)组成的全自动无级调节系统。
该系统的框图见图1。
图1 自来水厂送水系统自动调节系统图
其中变频泵以最大频率运行时功率为400kw，流量2100m3/h，扬程50m，定速泵功率、流量和扬程与之相同。
送水系统根据管网压力的变化调节变频泵频率，启停定速泵，使管网压力与压力设定值相等，从而达到恒压送水的目的。
2.2 系统调节关系式
系统采用pid(比例积分微分)算法进行调节，以下是系统调节的关系式:
2.3 控制过程的表述
具体控制过程表述如下:
(1) 从计算机输入压力设定值pset，启动变频泵，pid调节器将根据用水量q的变化调节变频泵频率f，见式(1)，使送水压力pout等于设定值pset ;
(2) 当变频泵频率调至最大(fmax)而送水压力仍小于设定值(pout<pset)时，则变频泵频率调至最小(fmin)，同时启动一台定速泵，见式(3)，其余类推；
（3) 当变频泵频率调至最小(fmin)而送水压力仍大于设定值(pout>pset)时，则停止一台定速泵，同时将变频泵频率上调，见式(5)，其余类推。
3 系统振荡的原因
该系统在运行过程中响应速度快，压力调节比较精确，体现了变频调压系统的优点，但因设备选型时对变频泵和定速泵的送水能力关系考虑不够，导致系统存在一些问题，当送水量处于某一区域时系统产生振荡，具体表现为定速泵频繁启停，变频泵在最大和最小频率间不停调节。这不仅影响到正常送水，而且对设备和电网也造成很大的冲击，鉴于这种情况在其它类似的水厂也存在，具有一定的代表性，下面就此作些探讨。
由上述公式可知，系统将根据用水量的变化要求而进行调节，使得送水压力等于压力设定值(pout=pset)，但由于定速泵电机额定功率和变频电机的最大功率一样，扬程和流量相同，所以变频泵的最大送水能力和定速泵的送水能力一样。
另因管网压力的存在，变频泵必须克服该压力才能参与送水，即变频泵的泵压必须大于网压(pf>pout)，否则泵出口形成负压将导致止回阀无法打开，若变频泵工作于该状态，只会空耗电能，增加设备的损耗，并不能参与送水。为此，必须设定一个最小频率fmin，以保证变频泵以最小频率运行时不形成负压，因此变频泵频率f的调节范围必须在fmin < f < fmax，而不能在0 < f < fmin，该最小频率fmin可在运行过程中利用逐次逼近法获得。
正是由于变频泵的最大送水能力和定速泵的送水能力相同，以及变频泵需克服管网压力而必须设定最小频率fmin，导致了送水能力存在死区(见图2)，也就是系统无法提供满足条件0 < q < qfmin (qfmin代表变频泵以最小频率运行时的送水量)的送水量q，其中的q就是死区，若用qd表示，即为 0< qd < qfmin，不难理解，每启动一台定速泵，都增加一个类似的死区，死区的数量比投入运行的定速泵数量多一个，它是一组间隔的流量区域的集合，见图2中的qd1，qd2，qd3……，用式表示即为:nqa < qd < nqa+qfmin (n=0，1，2，……，n为投入运行的定速泵数量，qa为定速泵流量)。
www.55dianzi.com
图2 变频泵与定速泵送水的死区示意图
系统一旦进入死区，便出现以下情况：送水压力小于设定值，根据式(3)需启动一台定速泵，而定速泵启动后，即使变频泵频率调至最小，送水压力却大于设定值，根据式(5)又要停止一台定速泵，……，如此反复，便造成了系统的振荡，影响正常送水，见图3。
图3 由死区造成的系统振荡示意图
4 清除系统振荡的对策
系统振荡虽然只是在送水量进入死区时才会出现，但一旦出现，系统就不能正常送水。要避免系统的振荡，可以有多种对策，以下是比较可行的几种:
4.1 对策一
由于导致系统形成振荡的主要原因是送水泵选型不当，所以解决问题的最根本方法是将现有的变频泵更换为容量更大的，或者将所有定速泵换成容量更小的，但前提必须满足qfmax＞qa+qfmin，同时qa＞qfmin，否则会形成另一种的振荡，在满足qfmax＞qa+qfmin的前提下，qa比qfmin大得越多越好，这样可以保证变频泵有较大的调节范围。本对策可从根本上解决振荡，但需要较大的再投资，且造成原有设备的浪费。
4.2 对策二
增加或更换其中一台定速泵为a′, 使得qfmin<qa′<qa，为保证变频泵有足够的调节空间，qa′略大于qfmin为佳。并将式(3)和式(5)稍作更改如下:
相对于对策一而言，此法投资较省，但控制程序改动较大，对系统管理人员要求较高。
4.3 对策三
这是一个在不改变任何工艺设备，不增加投资前提下的简单易行方案，方法是增设一个辅助压力设定点pset1，以便系统在原设定点pset工作时产生振荡后可切至该点工作以避开死区。由泵的流场曲线图可知，相同流量时压力不同则所需功率也不同，反应到变频泵上就是频率不同，因此当系统处于死区qd时，可调整压力设定值使原来工作于死区的变频泵(0 < f < fmin)能正常工作(fmin < f < fmax)，但pset1设定时要谨慎，如果设置时偏离原设定点太远，满足不了送水要求，但若偏离太近，则避不开振荡，具体数值可用逐次逼近法获得。
系统运行后先以原压力设定点pset为调节目标，当系统运行至死区后(以每次定速泵启动后，ft < fmin and δf > -k5为判别条件），切换至辅助压力设定点pset1继续工作，等系统离开死区后(根据f=fmin+a判定，其中a为根据实际运行时利用逐次逼近法得到的常量，例如10hz)，再切回原设定点pset工作，见图4(其间的最小频率会因设定点的变化而稍有变化，但由于变化很小，故可用原设定点时的最小频率作为两者的最小频率，因为前者大于后者，所以该最小频率是适用的)。该对策不足之处是根据辅助压力设定点pset1进行调节的送水压力比所要求的压力会有一定的偏差，但不影响正常送水。
图4 对策三：克服死区示意图
茂名市自来水公司河东水厂目前正在使用这一对策，管网要求送水压力为5.0bar，我们为此设定了4.8bar作为辅助压力设定点，虽然精度下降了4％，但实际运行效果不错，基本能满足送水要求。
5 结束语
对策还有很多，但不管怎么做，都只是补救措施，而且会存在这样那样的不便，要从根本上解决问题，必须在设计阶段仔细分析，周密考虑，认真做好设备选型工作，绝不能掉以轻心，这样才不会使系统存在缺陷。
上一篇：变频调速器控制回路干扰及其预防
