變頻調(diào)速節(jié)能及其在原水凈化系統(tǒng)中的應(yīng)用

熊憲生

(重慶騰升建筑工程有限公司智能化部，重慶 404000)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，環(huán)境污染使水質(zhì)惡化日益加劇，導致在有限的水資源中相當部分失去了使用價值，更嚴重的是隨未經(jīng)處理的污水排放到江河湖泊水源中的汞、鎘、鉛、砷、揮發(fā)酚、6價硌等污染直接威脅著人們的健康，如對生活水處理不好，控制不當，后果將不堪想象［1－5］。有人甚至認為中國所面臨的水危機要比任何的金融危機都要嚴重得多，因此水的凈化處理已經(jīng)成為人們所關(guān)注的焦點。水是人類賴以生存的基本條件，也是社會經(jīng)濟發(fā)展的必要條件，但是未經(jīng)凈化處理的水是不能飲用的。原水處理的核心是混凝投藥系統(tǒng)的控制，由于該系統(tǒng)具有大慣性、大時延和不確定性等特點，再加上人們對凈化過程機理還不是很清楚，因此很難通過建立過程模型找出混凝劑投量方法。采用常規(guī)控制方式對它進行控制幾乎不可能取得好的效果。20世紀80年代以后，對凈水場藥劑投量采用模糊控制取得了較好的控制效果，控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理是先根據(jù)統(tǒng)計模型確定基準藥劑投量，然后由模糊控制規(guī)則確定投入量在基準值上的校正量。但是控制中在對過程控制特性的認識、控制策略的選取、控制算法的構(gòu)造以及執(zhí)行驅(qū)動實現(xiàn)方式的確定等方面還有許多問題并未得到滿意的解決［6－7］，特別是能源消耗大顯得非常突出。本文從控制論角度出發(fā)對變頻器控制節(jié)能在水站凈化系統(tǒng)中的應(yīng)用作了些討論。

圖1 藥劑投量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 原水凈化過程

“給水處理”是指為滿足用戶要求所進行的水質(zhì)處理，為達到生活飲用水質(zhì)要求通常稱為“給水凈化”。原水中大多數(shù)污染物是以顆粒物的形式被去除，或先使污染物吸附在顆粒物上，然后除去其顆粒物，其過程一般可分成混凝(包括加化學藥劑、迅速混合、絮凝)、澄清、沉淀和過濾等4個過程，原水凈化過程如圖2所示。

圖2 原水凈化過程

1.1 混凝過程

抽取的原水中含有大量以膠體顆粒形式存在的雜質(zhì)，在原水中投加鋁鹽或鐵鹽等混凝劑后，膠體顆粒結(jié)成大顆粒后會因重力作用而下沉。但如果投入混凝劑過量，顆粒間的電斥力增加，混凝效果反而下降，導致渾水不易變清，因此混凝劑投量的控制非常重要。在原水中加入石灰、燒堿等堿性物質(zhì)的作用是調(diào)整水的pH值，投入混凝劑的作用是與水中的堿起化學作用產(chǎn)生氫氧化物膠體，由此可產(chǎn)生釩花。因此當原水堿度不足時，必須加入堿類物質(zhì)。

1.2 澄清過程

在原水中加入混凝劑消除了雜質(zhì)顆粒間的電斥力后，利用水力式機械使泥渣在池內(nèi)不斷循環(huán)，可更好地發(fā)揮泥渣的接觸凝聚和吸附水中雜質(zhì)的作用。泥渣在循環(huán)過程中顆粒變大逐漸沉淀，可提高澄清的效果。

1.3 沉淀過程

沉淀效果與諸多因素有關(guān)。當夏季水溫高時，因水的黏度降低，如果其它條件不變，則顆粒沉速相應(yīng)增加，沉淀效果較好。相反，冬季水溫低時，沉速減小，沉淀效率降低。顆粒沉淀過程比較復雜，沉淀池顆粒一方面以一定流速在水平方向流動，另一方面以一定沉速沿垂直方向下沉，最后顆粒沿著斜線下沉。顯然增加沉淀池面積可提高沉淀速度，增加顆粒密度和顆粒直徑，可提高混凝反應(yīng)效果和沉淀速度。由此可知，混凝劑投加的控制質(zhì)量高低對于水的凈化處理是非常關(guān)鍵的。

1.4 過濾過程

過濾是固液分離的最后工藝，也是最后一次除去顆粒物的裝置。過濾的效果除與時間有關(guān)外，還與顆粒物、水、介質(zhì)的性質(zhì)及操作條件等有關(guān)。過濾直接影響出廠水質(zhì)量，如果過濾效果好，在滿足出廠水濁度工藝要求的前提下，可大幅度地降低混凝劑的投藥量，達到節(jié)約資源的目的，所以過濾也間接影響了混凝劑的投藥控制。

2 混凝影響因素分析

2.1 水力條件影響

為使原水和藥劑充分混合與反應(yīng)，必須人為地使水流紊動。混合階段是混凝劑水解，生成金屬氫氧化膠體，吸附和黏著水中雜質(zhì)以形成釩花，因此要求水與混凝劑盡量快速均勻地混合。反應(yīng)階段是從開始形成細微釩花到繼續(xù)吸附黏著水中雜質(zhì)使釩花逐漸結(jié)大的過程，反應(yīng)階段也要求水流有一定程度的紊動，使細微的釩花互相接觸，但又不能過分強烈以免釩花破碎。因此其水流紊動程度要開始時大，隨后逐漸減少。

2.2 水溫影響

冬季加藥量比夏季多，最高和最低加藥量可相差幾倍，說明水溫對混凝效果有很大影響。當水溫在10～15℃以下時，生成的釩花比較緊密，易于沉淀，因為水溫低則顆粒的碰撞機會少，混凝效果就差。水流對釩花的剪力增加，使釩花易于破碎，不易結(jié)成大顆粒，可采取增加混凝劑的投加量，以改善顆粒之間的碰撞條件;或投加粘土以增加釩花重量，并投入助凝劑如活化硅酸和高分子混凝劑，以增加釩花強度，提高混凝沉淀效果。

2.3 水的pH值影響

例如鋁鹽加入原水后生成的氫氧化鋁膠體可以起混凝作用。當水的pH值在6.5～7.5范圍變化時，氫氧化鋁的溶解度最小，以氫氧化鋁膠體狀態(tài)存在于水中，效果好;但是當水的pH值＞7.5時，氫氧化鋁就溶解了，不再是氫氧化鋁膠體，而是以鋁離子狀態(tài)存在;當水的pH值再大些，例如pH值＞8.5時，氫氧化鋁膠體又明顯地溶解，生成酸離子，這時，混凝效果又很差。與此相類似，因為原水中含有各種溶解的鹽類和各種有機膠體，因此混凝劑的最佳pH值范圍要隨具體條件而變化。

2.4 水的堿度影響

混凝劑投入原水后，由于水解作用，水中氫離子的數(shù)量增加，提高了水的酸度，pH值隨之降低。因此，水中必須有一定量的堿度以中和因水解而產(chǎn)生的酸度。如果原水中的堿度足夠抵償，則混凝劑投入水中就能充分水解，形成氫氧化物膠體，混凝效果就比較好。

綜上所述，水力條件、水溫、水的pH值和水的堿度等參量對混凝沉淀效果均影響很大，因此反應(yīng)過程非常復雜。這些參量隨氣候、天氣等環(huán)境參數(shù)的變化而變化。從原水變成可飲用的水約需要幾個小時(一般是1到3.5小時不等)，從原水到澄清水也約需45 min，所以水的混凝階段是一個干擾較大、純滯后和大慣性過程。水力條件、水的pH值和水的堿度很難找到合適的量值，而且是隨時變化的，因此實際工程中，它們都是難以控制的，水溫就更不可控，因此只有控制好混凝劑的投入量才能提高合格水的質(zhì)量和產(chǎn)量。

3 過程特性與控制策略

3.1 控制論特性

原水凈化是一個復雜過程，其控制論特性一般表現(xiàn)為多變量、強耦合、參數(shù)時變、約束多樣與具有不確定性。由此可見，凈化過程參數(shù)具有未知性、時變性、隨機性和分散性;原水凈化是一個大慣性系統(tǒng)，具有大時滯特性，其時滯大小與眾多因素相關(guān)，表現(xiàn)出很強的未知性與時變性;由于作用空間大而且不均衡，其過程存在嚴重的非線性;混凝效果受溫度等多因素影響，過程各變量間具有強關(guān)聯(lián)特性;過程受各種外界因素的影響，環(huán)境干擾充滿未知性、多樣性和隨機性。凈化過程非常復雜，集中表現(xiàn)為具有很強的不確定性，因此在控制中存在諸多問題。

3.2 控制策略選取

上述控制論特性表明:凈化過程難以進行數(shù)學建模，因此幾乎不可能用傳統(tǒng)控制方法對復雜的凈化過程實現(xiàn)有效控制。必須從控制論層面探索更有效的控制策略。智能控制是在無人干預的情況下能自主地驅(qū)動智能機器實現(xiàn)控制目標的自動控制技術(shù)，它涵蓋了智能控制及智能優(yōu)化方法等諸多技術(shù)與內(nèi)容，各自自成體系，又互相聯(lián)系，但是各自都局限于某些特定領(lǐng)域的應(yīng)用［8－9］。如模糊邏輯控制無須數(shù)學模型，比較適合于復雜的非線性過程。對于復雜過程，因受不確定性等因素的影響，其控制規(guī)則難以覆蓋所有的工況，即使與其它控制策略配合使用，也會因為控制規(guī)則復雜而難以獲得好的控制效果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的最大優(yōu)點是有較強的學習能力和容錯性，可以充分逼近任意復雜的非線性關(guān)系，但其預測能力在很大程度上依賴于訓練數(shù)據(jù)的狀況，由于不確定性數(shù)據(jù)中存在干擾，常會出現(xiàn)過界問題，從而導致控制無規(guī)律可循。其它如學習控制，分層遞階控制等對復雜過程中的不確定性因素等的處理也沒有良好的應(yīng)對之策。值得注意的是仿人智能控制策略，它的基本特點體現(xiàn)在模仿人的智能，在控制功能和結(jié)構(gòu)方面模仿控制專家的控制行為，根據(jù)不同的過程動態(tài)特征，采用不同的控制模式，也可交替地使用多種控制模態(tài)。多模態(tài)控制的優(yōu)勢在于可以恰當?shù)貐f(xié)調(diào)諸多相互矛盾的控制品質(zhì)要求，比如快速性與平滑性、魯棒性與精確性等，因此多模態(tài)控制是貼近控制工程實際的。事實證明，仿人智能控制策略在復雜控過程等控制領(lǐng)域取得了許多令人欣慰的研究成果［10－13］，因此本文采用仿人智能控制策略。

4 變頻器在監(jiān)控中的應(yīng)用

4.1 變頻節(jié)能

選取了控制器和控制算法后，如沒有優(yōu)秀的執(zhí)行器及其驅(qū)動裝置執(zhí)行，其控制策略是難以實現(xiàn)的。以下從執(zhí)行驅(qū)動角度討論變頻調(diào)速的節(jié)能原理。各種藥劑泵和水泵的原動力都是電動機，而電動機的精準運行是靠變頻器驅(qū)動的，其優(yōu)良特性決定了變頻器在水系統(tǒng)中的重要地位。按照電機理論，電機轉(zhuǎn)速公式為:

式中:p為電動機的極對數(shù)，S為轉(zhuǎn)差率，f為供電電源頻率，n為電動機的實際轉(zhuǎn)速。從電機轉(zhuǎn)速公式可以看出:電機轉(zhuǎn)速與頻率近似成正比，改變頻率即可平滑地調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。泵類負載屬平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速n、流量Q、壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系:Q∝ n，H∝ n2，P∝ n3，即流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速立方成正比。由上述分析可知:通過改變電動機轉(zhuǎn)速就可方便地改變流量，有效保證系統(tǒng)達到期望的工況。使用變頻調(diào)速技術(shù)不僅調(diào)節(jié)方便，而且節(jié)能效果也很明顯。設(shè)電動機額定功率為PN，額定轉(zhuǎn)速為nN，當轉(zhuǎn)速為n時實際輸出功率為P，則節(jié)能(用功率表示)ΔP可以表示為:

如取 n/nN=2/3，則 ΔP=0.67PN，即節(jié)能效果在理想情況下可達67%。可見只要采用變頻調(diào)速技術(shù)，采用變頻調(diào)速驅(qū)動其節(jié)能效果是很顯著的。因此，變頻器使用不僅調(diào)節(jié)平滑精準可實現(xiàn)無級調(diào)速，保證控制系統(tǒng)的動靜態(tài)控制品質(zhì)，使水的凈化程度更高，而且也可大幅度節(jié)約能源。

使用變頻調(diào)速技術(shù)(變頻器)還有以下優(yōu)點:

1)可方便地實現(xiàn)無級調(diào)速、電機軟起動和自由停車。電動機均通過變頻器或軟起動從0～50 Hz作緩慢加速起動，既減少了機泵因突然高速起動所帶來的影響，又減少了直接起動時起動電流對電網(wǎng)的沖擊;

2)可提高功率因數(shù)，改善電動機電源質(zhì)量，保證電動機的功率與實際負荷相匹配，達到系統(tǒng)節(jié)能運行的目的;

3)可消除機泵的喘振現(xiàn)象，可使機泵運行處于最佳工況狀態(tài);

4)可方便地實現(xiàn)自動控制，使被調(diào)節(jié)量得到更平穩(wěn)的調(diào)節(jié)，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4.2 原水凈化系統(tǒng)集成監(jiān)控

水凈化站多個監(jiān)控系統(tǒng)中各個控制回路的原理均相同，如圖3所示。圖3中，e(t)為過程偏差，r(t)是過程輸入，y(t)是過程輸出，根據(jù)過程偏差及其變化走勢，采用仿人智能控制策略，就可以構(gòu)造出各種適宜于各個控制回路的控制算法，借助變頻器實現(xiàn)節(jié)能控制。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)

現(xiàn)以某生活水凈化站技術(shù)改造為例，該站有多臺原水泵、藥物投放泵和生活水配送加壓泵，采用了變頻器應(yīng)用界面集成，既方便了監(jiān)控又便于綜合管理，更重要的是優(yōu)化了控制，驅(qū)動執(zhí)行采用變頻器，綜合節(jié)能效果達到45%，節(jié)能效果非常明顯。值班人員只需觀察該集成界面的相關(guān)參數(shù)就可了解水質(zhì)凈化情況及自動配水與供水的情況;如果出現(xiàn)異常狀況，只需點擊相應(yīng)圖標，轉(zhuǎn)換至相應(yīng)工作界面就可查看畫面，發(fā)現(xiàn)問題所在。界面集成監(jiān)控設(shè)計內(nèi)容包括:人機界面，設(shè)備控制和管理，數(shù)據(jù)管理與報警和事件管理等。該系統(tǒng)既保證了供水品質(zhì)，又方便了各個監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行。

5 結(jié)束語

隨著新型城鎮(zhèn)化與智慧小區(qū)建設(shè)的推進，水資源矛盾將會變得愈來愈突出，為了達到環(huán)保節(jié)能的目的，就不可忽略控制系統(tǒng)的驅(qū)動環(huán)節(jié)。事實上采用變頻器不僅節(jié)能，更重要的是可提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)的精準度，如果在系統(tǒng)設(shè)計時更加注意界面集成，將會給維護使用帶來更多的方便。

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