第三章 水泵及管道系统的控制调节

第三章水泵及管道系统的控制调节§3.1调节的内容和意义一、给水排水工程中的水泵与管道系统主要包括：(1)城市供水系统——包括输配水管网及二泵站、加压泵站；(2)城市雨水、污水排水系统——包括排水管网及雨水泵站、污水泵站；(3)小区、建筑的给水系统——包括小区、建筑给水管网及加压设施；(4)小区、建筑的排水系统——包括排水管网及小区排水泵站、建筑室内污水提升泵等。二、调节内容将控制系统分为如下两大类：(1)对水泵的开停双位控制：按照液位(或压力值)、流量等参数的要求，改变每台水泵的开、停状态或改变水泵的运行台数。(2)对水泵工作点的调节控制：按照液位(或压力)、流量等参数的要求，改变水泵的工作点。§3.2水泵—管路的双位控制系统[例1]排水泵站的控制系统图3.1排水泵站系统示意图要求：当水位高于a时，水泵启动排水；当水位低于b时，水泵停止排水。分析该系统的工作过程，可知这是一个有记忆的逻辑系统，可以采用交流接触器组成逻辑控制装置。变量有水位a、b及代表水泵当前状态的附加变量Pt-1，3个变量共有8种逻辑组合。ab(b)Pt-1P00(1)000(1)101(0)001(0)110(1)010(1)111(0)011(0)10001——11图3.2例1卡诺图真值表001-011-00011110ab01Pt-1得到逻辑表达式：建立图3.3所示的控制系统线路。~图3.3例1控制线路图该控制系统的具体要求：(1)可以按手动或自动两种方式控制水泵的开停，设手动按钮m、a；(2)在自动控制方式下，水泵可以根据水位变化自动开停，设水位开关p、v、h、b；(3)对低位水箱水位的限制。当水位低于b时，低位水箱处于缺水状态，水泵必须停止；当水位高于h时，低位水箱处于充满状态，允许水泵启动；(4)对高位水箱水位的限制。当水位低于v时，高位水箱处于放空状态，水泵可以启动供水；当水位高于p时，高位水箱充满，水泵应该停止供水。[例2]建筑物高低水箱给水系统图3.4高低水箱给水系统示意图经分析，这是有记亿的逻辑控制系统，用变量MPt-1表示水泵当前状况，这样共有p、v、h、b、MPt-15个逻辑变量，共同决定水泵自动开停。水泵的工况改变，用交流接触器实现，以MP表示其线圈及主触点。5个逻辑变量，共有25＝32种可能的逻辑组合。低水箱达低水位，是否运行取决于之前状态故障两水箱都达低水位，是否运行取决于之前状态高水箱达高水位，停止低水箱达高水位，运行故障低水箱达高水位，高水箱达低水位，是否运行取决于之前状态高水箱达高水位，停止卡诺图如下：图3.5例2卡诺图(b=1)得到自动控制逻辑表达式：手动控制系统的逻辑表达式为：手动可以控制自动，总的逻辑表达式为：图3.6例2控制线路图§3.3水泵的调速控制一、水泵调节的类型1恒压调速属于二泵站、建筑与小区给水系统的典型情况。例如二泵站，通常采用分级供水，视用水情况将二泵站的工作制度定为二级或三级。有弊端，有必要以保证用户水压恒定为目标进行水泵调速。图3.7二泵站水泵工况点的变化2恒流调速这是给水系统一泵站的典型情况。一泵站按最低水位设计，但运行中多数时间内水源水位常处于常水位附近，高于最低水位，实际需要的水泵扬程低于设计扬程。常采取关小管路阀厂的方式消耗多余的小头，保证一泵站取水流量恒定。造成能量浪费，需要以水量恒定为目的的水泵调速。图3.8一泵站水泵工况点的变化H1H2水泵的调速方法主要分为两类：二、水泵的调速方法第一类是电机转速不变，通过附加装置改变水泵的转速，如液力耦合器调速、电磁离合器调速、变速箱调速等。第二类是直接改变电机的转速，如可控硅串级调速、变频调速等。后者是在水泵站应用较多的调速形式。1串级调速异步电动机的转子绕组外接一个可变反电势，可以改变电动机的转速。为使反电势的频率与转子绕组的感应电势相符合，通常把转子感应电势通过三相桥式整流变为直流电，用直流电动机实现反电势的方法，称为机组串级调速。2液力耦合器调速液力耦合器调速是一种机械调速方式，可以实现无级调速。液力耦合器是由主动轴、从动轴、泵轮、涡轮、旋转外壳、导流管、循环油泵等组成的。泵轮在电机一侧，与电机同步；涡轮在水泵一侧，与水泵同步。3变频调速通过改变水泵工作电源频率的方式改变水泵的转速变频调速是通过变频调速器实现的，它可以将输入的固定频率的电源(在我国为50Hz)转换为频率可调的电源输出，供给水泵电机等需要调频的设备作工作电源。三、水泵调速运行的方式以变频泵为例，常采用变速与定速水泵配合工作的方式。即一个泵站内只有一至两台水泵变速运行，其余水泵为定速运行，变速泵与定速泵组合一起工作，通过对变速泵的调节，得到要求的各种工况。§3.4恒压给水系统控制技术恒压给水控制技术的分类1）双位控制系统。按水位(水压)的高低两个界限值控制给水泵的开停。当高低水位相差不大、水压波动较小时，可近似看作恒压给水系统，如前述的高位水箱给水系统以及气压给水系统。2)定值控制给水系统。按某一压力控制点的水压目标值进行调节控制。可以采用变频调速等技术，改变水泵特性，对水泵工况连续调节，将水压控制在很小的波动范围内。一、变频调速恒压给水技术1工作原理变频调速恒压给水系统通过自动控制实现压力恒定的目的。它由电机泵组、压力传感器、控制器、变频器以及自动切换装置等组成，以水压为控制参数。工作原理：水泵启动后，压力传感器向控制器提供控制点的压力值H。当H低于控制器设定的压力值H0时，应该提高水泵转速，控制器向变频调速器发送提高电源频率的指令；当H高于H0时，则应该降低水泵转速，控制器向变频器发送降低频率的控制信号。当某台水泵的转速达到规定的上限时，自动启动新的水泵投入运行；反之，则自动减少运行水泵的台数。图3.9给水设备系统原理图设备的运行工作示意图如下：图3.10变频调速系统运行过程示意图2技术特点(1)高效节能。设备能自动检测系统瞬时水压，据此调节供水量，节约供水能耗。(2)用水压力恒定。无论系统用水量有任何变化，均能使供水管网的服务压力恒定，提高了供水品质。(3)延长设备使用寿命。采用微机控制技术，对多台泵组可实现循环启动工作．损耗均衡。特别是软启动，无大启动电流，延长设备的电气、机械寿命。(4)功能齐全。由于以微机做中央处理机，可以设置各种附加功能，如：小流量切换，水池无水停泵，市网压力升高停机，定时启、停，自动投入变频消防，自动投入工频消防等功能。二、恒压给水系统压力控制点的位置恒压给水系统按压力控制点位置的不同，又可以分为两大类：一类是将控制点设在最不利点处，直接按最不利点水压进行工况调节；另一类是将控制点设于水泵出口，按该点的水压进行工况调节，间接地保证最不利点的水压稳定。1控制点设在水泵出口压力控制点设在水泵出口，事先给定一个压力设定值，按此值变速调节水泵工况是常用方式．其工作特性如图。图3.11水泵出口恒压调速给水系统工作特性HH'H1H0出口处水压最低要求值最不利点水压最低要求值弊端：①对用户而言水压不恒定；②如果管路上发生某种情况，使得管路特性变化而使特性曲线形状变化，就可能影响用户的水压，即可靠性存在问题；③技术经济性能不十分理想。20sQHH修正：为了保证用户处的压力恒定为H0不变，水泵出口处的压力就应该沿管路特性曲线A0变化，即出口处变压力控制。其规律可以由管路特性曲线方程确定:kQHH0图3.12水泵出口变压调速给水系统工作特性图3.12中的b、c、d三点分别代表水泵出口恒压、理想变压、线性化变压三种控制方式在某一供水量Q'时的上作点。20sQHHkQHH0HcHd2控制点设在最不利点优缺点：更节能，控制系统简单，不需要流量传感器，控制准确；这种控压方式改变了压力传感器的安装位置，相应增加信号线的长度，在工程与管理上有时会带来一些困难。HH'H1H0Hc三、气压给水系统的控制问题以由两台同型号水泵组成的气压给水系统为例。图3.13中纵坐标以绝对水压标高表示。将气压罐设在水泵间时，相当于将压力控制点设在水泵出口处。下面比较将控制点设在水泵出口处和最不利点处时的水泵工况特性。Q图3.13气压给水系统压力控制点的比较出口处要求最低水压值最不利点要求最低水压值a0P1停止P2停止P1启动P2启动P1停止P2停止P1启动P2启动控制点设在水泵出口处控制点设最不利点气压罐的安装位置靠近用户并尽可能高，有利于减小罐容积并降低罐内承压、因为有如下关系：比较：将气压罐设置在用户最不利点，即将压力控制点设在最不利点时，用户的水压变化明显减小，供水能量的浪费较小。而且较低的供水压力还为用户的使用提供方便，并且有利于延长给水系统配件的寿命。四、变频调速给水系统中水泵的组合优化P0P1P2可编程控制器P0P1P2电接点压力表管路系统低位水池水位传感器水泵qq2q图3.14水泵组合优化变频调速原理图工作原理水泵P1，P2的工作状态各用一位二进制数a1，a2表达，用数字“1”表示水泵工作，“0”表示水泵停止。变频水泵P0额定流量q，定速水泵P1，P2的额定流量分别为q，2q。出口流量P2P1P0Qta2a10Qtq000q0qqQt2q010q0q2qQt3q100q0q3qQt4q110q0q三台水泵组合优化变频调速系统设计规律：如果给水系统的设计流量为Q，可以把变频水泵的容量设计成q=Q/2n（n=1、2、3……），同时配备n台工频电源开关控制的水泵，这n台水泵的额定扬程一致，但额定流量呈两倍递变，即q、2q、4q…2n-1q，由这（n+1）台水泵组合优化变频调速给水系统，既实现全流量范围内高质量的供水，又降低了变频器的工程预算价格，提高了整个给水系统的性能价格比。§3.5污水泵站组合运行系统实例：某泵站是污水排放系统的中途提升泵站，在接受排水管网输送来的污水的同时，还接受附近的工业和生活污水。由于进水量的变化很大，过去使用多台定速泵的形式，不能有效地控制进水位在警戒线以内，有时导致上游低洼地区跑冒污水。为了改善这种状况，选样了水泵变速运行并且使用微机控制的方案。控制系统的构成(1)一次仪表计量的水位、水量、温度、电流、电压等数据及各种故障信号均通过转换器换成电压模拟信号，经滤波器送入微机的A/D电路。(2)微机输出的开停水泵信号，经过通用接口连接器、寄存器及继电器驱动后，控制定速水泵启动柜和变速水泵调速柜的开停。同时转速的控制由微机发出的数字星调速信号，经过D/A转换成电压模拟信号，送至调速柜执行，(3)水泵发生故障时，微机要自动切除故障泵，启动备用泵，并通过报警电路发出声光报警信号。(4)泵站的机电设备会产生大量电磁辐射，在电网上造成十扰，除机房内墙要做金属屏蔽网，交流电源侧加稳压器、滤波器外，还要在输出开关电路采用两级继电器进行隔离．使干扰无法中入机内。图3.15污水泵站控制系统图§3.6给水监控与调度系统系统结构和功能1结构包括主控管理子系统、管网事故处理子系统、设备管理子系统、预测子系统等。2功能(1)集中监视与校制(2)预测咨询系统(3)设备管理与运转台帐(4)管路台帐(5)管网计算与工况分析