1 引言
送水是自來水生產流程中的重要一環，送水壓力的穩定及精確與否直接影響到千家萬戶的正常用水。早期的送水壓力調節是通過增減定速泵的數量來實現的，因此壓力調節不連續，要準確調節壓力很困難。近年來隨著新技術的應用，特別是變頻技術和自動化技術的應用，送水壓力的穩定性及精確度都有了很大的提高。很多由國外全套引進工藝和設備的自來水廠由于采用了這些技術，都收到了很好的效果，但是它們的送水系統普遍存在一個問題，就是有時產生振蕩，不能正常送水。茂名市自來水公司河東水廠的送水系統就是其中一例。
2 系統描述
2.1 系統構成
該自來水廠的送水系統采用由變頻泵、定速泵、自動化儀表、可編程邏輯控制器(plc)及計算機(pc)組成的全自動無級調節系統。
該系統的框圖見圖1。
圖1 自來水廠送水系統自動調節系統圖
其中變頻泵以最大頻率運行時功率為400kw，流量2100m3/h，揚程50m，定速泵功率、流量和揚程與之相同。
送水系統根據管網壓力的變化調節變頻泵頻率，啟停定速泵，使管網壓力與壓力設定值相等，從而達到恒壓送水的目的。
2.2 系統調節關系式
系統采用pid(比例積分微分)算法進行調節，以下是系統調節的關系式:
2.3 控制過程的表述
具體控制過程表述如下:
(1) 從計算機輸入壓力設定值pset，啟動變頻泵，pid調節器將根據用水量q的變化調節變頻泵頻率f，見式(1)，使送水壓力pout等于設定值pset ;
(2) 當變頻泵頻率調至最大(fmax)而送水壓力仍小于設定值(pout<pset)時，則變頻泵頻率調至最小(fmin)，同時啟動一臺定速泵，見式(3)，其余類推；
（3) 當變頻泵頻率調至最小(fmin)而送水壓力仍大于設定值(pout>pset)時，則停止一臺定速泵，同時將變頻泵頻率上調，見式(5)，其余類推。
3 系統振蕩的原因
該系統在運行過程中響應速度快，壓力調節比較精確，體現了變頻調壓系統的優點，但因設備選型時對變頻泵和定速泵的送水能力關系考慮不夠，導致系統存在一些問題，當送水量處于某一區域時系統產生振蕩，具體表現為定速泵頻繁啟停，變頻泵在最大和最小頻率間不停調節。這不僅影響到正常送水，而且對設備和電網也造成很大的沖擊，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，系統將根據用水量的變化要求而進行調節，使得送水壓力等于壓力設定值(pout=pset)，但由于定速泵電機額定功率和變頻電機的最大功率一樣，揚程和流量相同，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壓(pf>pout)，否則泵出口形成負壓將導致止回閥無法打開，若變頻泵工作于該狀態，只會空耗電能，增加設備的損耗，并不能參與送水。為此，必須設定一個最小頻率fmin，以保證變頻泵以最小頻率運行時不形成負壓，因此變頻泵頻率f的調節范圍必須在fmin < f < fmax，而不能在0 < f < fmin，該最小頻率fmin可在運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壓力而必須設定最小頻率fmin，導致了送水能力存在死區(見圖2)，也就是系統無法提供滿足條件0 < q < qfmin (qfmin代表變頻泵以最小頻率運行時的送水量)的送水量q，其中的q就是死區，若用qd表示，即為 0< qd < qfmin，不難理解，每啟動一臺定速泵，都增加一個類似的死區，死區的數量比投入運行的定速泵數量多一個，它是一組間隔的流量區域的集合，見圖2中的qd1，qd2，qd3……，用式表示即為:nqa < qd < nqa+qfmin (n=0，1，2，……，n為投入運行的定速泵數量，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示意圖
系統一旦進入死區，便出現以下情況：送水壓力小于設定值，根據式(3)需啟動一臺定速泵，而定速泵啟動后，即使變頻泵頻率調至最小，送水壓力卻大于設定值，根據式(5)又要停止一臺定速泵，……，如此反復，便造成了系統的振蕩，影響正常送水，見圖3。
圖3 由死區造成的系統振蕩示意圖
4 清除系統振蕩的對策
系統振蕩雖然只是在送水量進入死區時才會出現，但一旦出現，系統就不能正常送水。要避免系統的振蕩，可以有多種對策，以下是比較可行的幾種:
4.1 對策一
由于導致系統形成振蕩的主要原因是送水泵選型不當，所以解決問題的最根本方法是將現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qa＞qfmin，否則會形成另一種的振蕩，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節范圍。本對策可從根本上解決振蕩，但需要較大的再投資，且造成原有設備的浪費。
4.2 對策二
增加或更換其中一臺定速泵為a′, 使得qfmin<qa′<qa，為保證變頻泵有足夠的調節空間，qa′略大于qfmin為佳。并將式(3)和式(5)稍作更改如下:
相對于對策一而言，此法投資較省，但控制程序改動較大，對系統管理人員要求較高。
4.3 對策三
這是一個在不改變任何工藝設備，不增加投資前提下的簡單易行方案，方法是增設一個輔助壓力設定點pset1，以便系統在原設定點pset工作時產生振蕩后可切至該點工作以避開死區。由泵的流場曲線圖可知，相同流量時壓力不同則所需功率也不同，反應到變頻泵上就是頻率不同，因此當系統處于死區qd時，可調整壓力設定值使原來工作于死區的變頻泵(0 < f < fmin)能正常工作(fmin < f < fmax)，但pset1設定時要謹慎，如果設置時偏離原設定點太遠，滿足不了送水要求，但若偏離太近，則避不開振蕩，具體數值可用逐次逼近法獲得。
系統運行后先以原壓力設定點pset為調節目標，當系統運行至死區后(以每次定速泵啟動后，ft < fmin and δf > -k5為判別條件），切換至輔助壓力設定點pset1繼續工作，等系統離開死區后(根據f=fmin+a判定，其中a為根據實際運行時利用逐次逼近法得到的常量，例如10hz)，再切回原設定點pset工作，見圖4(其間的最小頻率會因設定點的變化而稍有變化，但由于變化很小，故可用原設定點時的最小頻率作為兩者的最小頻率，因為前者大于后者，所以該最小頻率是適用的)。該對策不足之處是根據輔助壓力設定點pset1進行調節的送水壓力比所要求的壓力會有一定的偏差，但不影響正常送水。
圖4 對策三：克服死區示意圖
茂名市自來水公司河東水廠目前正在使用這一對策，管網要求送水壓力為5.0bar，我們為此設定了4.8bar作為輔助壓力設定點，雖然精度下降了4％，但實際運行效果不錯，基本能滿足送水要求。
5 結束語
對策還有很多，但不管怎么做，都只是補救措施，而且會存在這樣那樣的不便，要從根本上解決問題，必須在設計階段仔細分析，周密考慮，認真做好設備選型工作，絕不能掉以輕心，這樣才不會使系統存在缺陷。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
