恒壓供水變頻控制低碳技術及應用

盧祥江，武宇龍

（湖南工業大學 機械工程學院，湖南 株洲 412007）

恒壓供水變頻控制低碳技術及應用

盧祥江，武宇龍

（湖南工業大學 機械工程學院，湖南 株洲 412007）

針對當前變頻恒壓供水壓力不穩定、能耗過大、滯后時間過長等問題，將無模型控制方式運用到恒壓變頻供水系統中，同時在分析供水特性的基礎上，對具體的供水設備進行分析和改進。實踐表明，改進之后的供水系統實現了供水壓力穩定，節能效果明顯，反應執行速度快捷，長期運行穩定可靠。

恒壓供水；節能；水泵；變頻調速

0 引言

恒壓供水是目前高樓供水的主要手段，近年來隨著電力電子技術的發展，采用變頻器以及相應的控制電路組成的節能供水系統，已得到了廣泛推廣和應用。由于泵類電機具有負載轉矩與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比的特點，因此，采用閉環控制，根據用水量的大小來控制電機的轉速，可以使整個供水系統處于節能運行的狀態。理論和實踐表明，在低流量區，對整個供水系統采用變頻調速控制比采用閥門控制可節約30%～50%電能。因此，在供水系統中采用變頻調速控制技術取代閥門控制能獲得更好的經濟效益和社會效益，這對于緩解我國電力緊張的狀態具有重要意義。目前，有些企業缺乏對恒壓供水方式的深入研究，從而使不同企業生產的恒壓供水設備的節能效果差別很大。根據多年來收集的數據顯示，在不利的供水環境下，好的供水設備比不好的供水設備有近40%的能量消耗差別。在國家倡導節能減排的精神下，對恒壓供水的問題有必要進行一些理論上的研究，尋找一種高效節能的設計方案。利用先進的自動化技術、控制技術以及通訊技術，設計高性能、高節能，同時能適應不同情況的低碳節能恒壓供水系統已成為了必然的發展趨勢[1]。

城市供水工程在水資源的開發利用過程中，水資源從水源地通過重力或泵站輸送至水處理廠，經過泵站將飲用水輸送到用戶，并通過水泵保持水壓穩定。在此過程中，水泵成為了城市供水系統中主要的耗能設備，而城市供水系統碳足跡的來源可歸結為相關的能源消耗，如電耗以及外加的碳源消耗，也就是說水泵的使用將成為城市供水系統碳足跡的主要來源[2]。

1 供水系統執行部件的基本特性

供水系統主要由控制部件和執行部件兩部分組成，通過研究供水系統執行部件的基本特征，有助于更好地設計低碳節能型供水系統，從而為改善相關供水性能作準備。通過對水泵工作點確定曲線的分析，可以了解供水系統主要執行部件——水泵的工作特征，如圖1所示。

圖1 水泵工作點的確定Fig.1 Determination of Pump operating point

水泵工作點（工況點）是指水泵在確定的管路中，在實際運行過程中所具有的揚程、流量以及相應的效率、功率等參數。圖1中，水泵性能曲線（HQ曲線）和管路性能曲線（Hx-Q曲線），兩者之間的交點A就是水泵的工作點。工作點A是水泵運行的理想工作點，實際運行時水泵的工作點并非總是固定在A點。在閥門開度和水泵轉速都不變的情況下，用戶的用水狀況決定流量Q的大小，所以H-Q曲線所反映的是揚程H與用水量Q之間的關系。隨著流量Q的增大，水泵的揚程H將變小；隨著用戶用水量的變大，水泵的揚程也將減小，即不改變其它因素的情況下，水泵能夠壓水的高度將減小。Hx-Q曲線反映了水泵的機械能用來克服系統的水位、壓力差以及液體在供水管道中流動阻力的變化規律。由圖1可知，在同一閥門開度下，揚程H越大，其流量Q也越大。從水泵的效率曲線 -Q可知，在A點處水泵的效率最大。

對水泵的運行特性曲線進行分析，如圖2所示。當用閥門控制時，若用水高峰期水泵工作在E點，其流量為Q1，揚程為H2。當用水量從Q1減小到Q2時，則需要關小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從3移到1，而水泵性能曲線不變；揚程則從H2上升到H1，運行的工況點從E點移到F點，此時水泵輸出功率用矩形OQ2F H1表示，其值為

式中：r為輸出介質單位體積質量；

H1和Q2分別為水泵在工況點F處的揚程和流量。

當用調速控制時，用水量從Q1降至Q2時，其水泵的轉速由n1變至n2，圖2中的水泵性能曲線H-Q明顯變化；而阻力曲線的終值H2不變，從而阻力曲線從3移到2，因此水泵輸出功率可用矩形OQ2DH2表示，其值為

式中H2和Q2分別為水泵在工況點D處的揚程和流量。

圖2 水泵運行特征曲線Fig.2 The pump running characteristic curve

從圖2中可以得出，當由閥門控制改為調速控制后，其節能效果顯著，其節能量為

在系統正常運行時，不僅要保證水泵工作在正常工作點附近，而且要保證水泵工作點附近的相關參數處于良好的數值范圍內，這樣才能充分地發揮水泵的工作效率。在變頻調速恒壓供水系統的整個運行過程中，水泵工況點的變化如圖3所示。

圖3 水泵工況點的變化Fig.3 Pump operating point changes

由圖3可知，在不同的水泵轉速曲線n和不同流量Q作用下，對應著不同的水泵工況點，如圖3中的A1′, A0, A1, A2等工況點。假設水泵的起始工況點處于A0處，此時水泵出水壓力值為p0，供給的流量值為Q0。當用戶的用水量減到Q1′時，在水泵轉速n0不變的情況下，從圖可知水泵的出水壓力必升高，此時可通過調節水泵轉速使之運行在n1′的狀態下，即出現A1′工況點的情況。同理，當用戶的用水量增大到Q1或Q2時，同樣可調節水泵的轉速，使之處于A1或A2的工況狀態下。

由圖3還可知，適當調節水泵的轉速n可使水泵處于不同的工況點下，但由于出水壓力的不穩定必然導致供水管網中壓力過大或過小的現象，這不利于實際的操作。從圖2中可知，可以通過不同的阻力曲線來確定不同的水泵工況點。綜合圖2和圖3可知，為維持供水管網中水壓穩定在一個恒定的壓力值附近，如圖3中p0值附近，可以通過適當調節水泵轉速n就可滿足不同的流量需求，使水泵處于不同的工況點下運行。變頻調速的最終目的，就是通過調節水泵轉速來促使供水管網內的水壓力值維持在一個恒定的范圍內，而不會隨著用水量的變化而變化[3]。

2 供水系統控制模型的基本特性

水泵由初始狀態向管網進行恒壓供水，供水管網從初始壓力開始啟動水泵運行，至管網壓力達到穩定要求時經歷2個過程：

1）水泵將水送到管網中，這個階段管網壓力基本保持初始壓力，這是一個純滯后的過程；

2）水泵將水充滿整個管網，壓力隨之逐漸增加直到穩定，這是一個大時間常數的慣性過程。

參考大慣性環節特點，供水系統的模型可以近似為

式中：T1為供水系統的慣性時間常數；

k1為供水系統的增益；

變頻器和電機可近似等效為時間常數為T2的一階慣性環節，系統中其他控制和檢測環節，如繼電器控制轉換，壓力轉換等時間常數和滯后時間與原供水系統執行機構的時間常數和滯后時間常數相比，可忽略不計，均可等效為比例環節[4]。

因此，供水系統的數學模型可等效為帶純滯后的2個慣性環節串聯，并用

表示。

在以上系統中，慣性時間常數T1由供水系統的用戶規模決定，一般用戶的數量越大，也就是供水系統所需的水流量值越大，系統的慣性時間常數也越大。系統的滯后時間由供水系統的最不利點決定，即由最不利點距離用戶的距離和供水系統的平均流速決定。當水泵選定后，交流電機的機電時間常數就可以確定。由于供水系統的規模以及用戶用水的不規律，導致供水系統模型的參數難以準確確定，并具有參數易變的特點。參考國內外應用研究的結果[5]，將供水系統的近似模型選定為

在恒壓供水的閉環控制系統中，至今仍有 90%左右的控制回路采用 PID 控制方案。但是，由于供水系統的非線性以及參數時變的特點，使得當用水量變化較大時，系統的運行狀態變化范圍也較大，并且固定參數的 PID 控制無法適應這種變化，控制品質變差，甚至造成系統不穩定和能量額外損失。

3 控制器的設計

通過以上分析可知，在供水過程中，一定要對用水工況有“預見性”，這樣才能合理安排工作水泵的輸出大小，同時在供水最不利的情況下，控制器能根據關鍵參數如：最大停機壓力，最小開機壓力，穩壓壓力，壓力變化趨勢，集中用水時間，市政管網進水壓力等一系列動態參數，合理調整控制器參數，不斷優化節能效果。這樣的要求，運用傳統的控制方法很難實現。

通過對系統建模分析，發現在供水應用中，隨著用水量的增加，出水壓力就會減少，以此為關鍵參數，引入無模型自適應控制（model free adaptive control，MFAC），利用管網壓力作為主要輸入參數，以用水量和變頻器的上下限數據作為系統限制參數，被控系統可以通過下列的單輸入單輸出非線性離散時間方程來描述：

式中：u(k)和y(k)分別表示被控系統在時刻k的系統輸入量與輸出量；

nu和ny分別表示系統未知的輸入及輸出階數；

f表示未知的非線性函數[6]。

假設1 非線性系統（1）的輸入量和輸出量是可觀測且是可控制的。具體可描述為，對于某一個系統有界的期望的輸出信號y*(k+1)，存在有界的可行的控制輸入信號u*(k)，使得該系統在這個控制輸入信號的作用下，其系統的輸出量等于系統的期望輸出量。

假設2 系統（1）控制輸入信號u(k), u(k-1), …, u(k-L+1)都存在連續的偏導數。

假設3 系統（1）滿足廣義利普希茨（Lipschitz）條件。具體描述為，對任意的常數k和Δu(k)≠0，滿足關系

式中：b是常數；

Δy(k+1)和Δu(k)分別表示系統在2個連續時間點下的輸出量和輸入量的變化值，即

定理1 非線性系統（1）如果同時滿足以上3個假設，則當Δu(k)≠0時，存在一個偽偏導數（pseudopartial-derivative，PPD）(k)，且

為使非線性系統（1）合理地轉化為動態線性化方程式（3），需對控制系統輸入量的變化量Δu(k)加以限制。同時，由于整個自適應控制系統工作在動態閉環環境下，因此在整個算法過程中保證Δu(k)≠0的同時，可加入一些可調參數用來限制Δu(k)的變化，使整個系統的控制處于合理的范圍內。為此，引入控制輸入準則函數

將式（3）代入式（4），同時對輸入量u(k)兩邊求導并令其為零，可得

4 執行部件設計

執行部件主要包括加壓水泵與管網結構以及相關閥等。在設計中通過優化控制器，使系統執行更加穩定，從而具備了節能運行模式，同時通過對執行部件的優化設計，強化了系統工作效率，增強了節能效果。

采用疊壓變頻泵替換傳統的管道加壓泵，這樣可以充分利用市政管網的壓力，差多少補多少，可有效減少能源消耗。疊壓變頻泵的性能曲線與普通變頻泵的性能曲線的區別在于增加了城市管網的余壓線，使原來的定壓線隨城市余壓的波動上下移動，因此它沒有固定的定壓線，而只有對應于城市最低最高余壓的水泵揚程。疊壓變頻泵的工作點就在此區間內運行，并保持恒定的系統壓力，如圖4所示。

圖4 變頻泵工作區間Fig.4 Variable frequency pump working range

圖4中，向上的縱坐標表示疊壓泵提供的揚程值H，向下的縱坐標表示城市管網中能提供的揚程值Hy。當城市管網中壓力較大時，能夠達到最大的揚程為Hy,max，此時水泵所需提供的揚程就為He,min；當城市管網中壓力較小時，能夠達到最小的揚程為Hy,min，此時水泵所需提供的揚程就為He,max。因此，疊壓泵將根據城市管網中的壓力值，即其所提供揚程值，再施加一個合理轉速，使其滿足最終的揚程數值為HXD，這樣有效利用了城市管網中的壓力，滿足了系統節能的需求[10-11]。

結合控制器的設計，在城市管網余壓波動較大時，首先要看水泵揚程工作點是否在水泵的高效段內，如不在高效段內，系統應及時切換其他功率的疊壓泵，使得余壓的波動幅度可控，并始終處在高效區。多泵組合工作時，配置的臺數應根據水泵流量總和滿足系統最大流量為準則。

通過改變傳統的直角連接方式來進行管道的結構設計。因為流體流入管道后會對管道壁產生附加作用力，使管道壁面發生變形，特別是對于管道直角彎曲段，這種附加作用更嚴重；同時，由于管道的彈性作用，管道壁面又會反過來影響管內流體，兩者之間存在耦合關系。彎管內的能量損失主要發生在彎管內側壁附近，在 90°截面區域損失尤為嚴重，靜壓分布從 0°到90°截面始終是外側高于內側。湍動能的分布表明，進口段湍動能小，在第一個拐彎處湍動能加大，在第二匯流處湍動能持續增加，彎管內側壁的湍動能一般比外側壁大。在彎曲管道的轉角和匯流處，流體的流速較其他各點高；在流速梯度大的位置，湍動能也大。重新設計的管道拐角呈120°，有效降低了結構性能耗損失，以及水在流動過程中經過彎管而產生的紊流導致的能耗損失。圖5為傳統的彎管，圖6為改進之后的彎管。在考慮系統更加節能且不影響正常工作的情況下，在多泵并行供水的匯流管設計時，應盡可能采用圖6所示的彎管結構。

圖5 傳統彎管Fig.5 The traditional pipe

圖6 改進后彎管Fig.6 The improved elbow

為保證系統的節能性，特別是針對小額用水的狀態，在此引入高位密封充氣罐和出水端壓力罐。高位密封充氣罐一般安裝在供水點的最高點，這對于高層少量用水時，節能效果明顯。壓力罐一般安裝在系統出水端，對于小額用水有一定的補充作用，主要用來穩流和消除水錘現象。當系統在加壓輸出時，水壓縮壓力罐內空氣，部分水進入容器；當系統停止運行后，如果有小額的用水，壓力罐就通過釋放壓力補充用水，而不需要啟動系統，從而達到節能的目的。對于用水量變化很大的用水用戶，一般采取大小泵組合的結構方式進行供水；對于供水管網比較大或耗損較高的管網用水用戶，一般引入輔泵的工作方式；對于其他附加工作要求，如含有備用水箱的用水用戶，配備消毒設備的用水用戶，都可以通過修改控制器的工作流進行定制開發。事實證明定制開發比傳統開發的供水節能效果更好。

5 低碳節能分析

本文改進的供水系統采用全自動變頻恒壓按需調整的節能技術，通過本地控制器的流程化控制，對參與執行的泵組進行分配，在泵組的執行過程中，通過排列算法得到所有執行泵的組合，將每一種組合作為一種狀態。對于狀態之間的切換，需考慮一些條件，如：當前變頻泵已處于工頻運行狀態下，然而出水壓力值仍低于最低允許壓力，輸出壓力的增長率小于0.01MPa/s，系統將延時5s后切換；輸出壓力的增長率小于0.03MPa/s，系統延時15s后切換；輸出壓力的增長率小于0.1MPa/s，系統延時2min后切換。其它狀態轉移的延時時間由系統運算決定，且要求加入的泵是目前休息時間最長的泵，然后由變頻器變頻拖動。減泵的條件是當前變頻泵已處于最低轉速運行狀態下，同時水壓在允許范圍內，如果水壓成上升趨勢，系統將工作時間最長的泵停止；如果水壓有下降趨勢，且趨勢明顯，則延長減泵時間，如果趨勢不明顯則減少減泵時間。所有變換泵組合的前提條件是，保證水壓穩定，波動少，盡量維持系統工作在節能狀態。

湖南省株洲市某小區因老系統損壞，重新安裝設計供水系統后，節能效果明顯，以前每月耗電3300度，現在為1980度。整個系統有3臺不同型號的疊壓泵進行供水輸送，用水高峰時3臺泵可同時運行，在非用水高峰時采用上述的節能運行方式。通過實際應用對比表明，本系統設計的水泵使用周期明顯延長，在節能降耗和裝置的平穩性上也取得了明顯的效果，經濟效益明顯。

實現城市低碳節能的主要措施有：加強相關管理，提高能源利用效率，減少能源浪費；使用低碳節能產品設備，通過選用節能（或低碳）認證水泵、風機電機等設備，減少城市供水總能耗；發揮政府的職能作用，綜合運用經濟政策及相關法律法規促進城市節能低碳化的實現；增強員工低碳理念，引導公眾參與低碳創新活動，實現全方位城市節能低碳化。

6 結語

通過長期的供水數據分析，所設計出來的新型節能供水系統滿足了當前供水行業技術革新的需求，新系統已經在現實生活中得到了運用，它具有結構簡單、工作可靠，動態參數可調等優勢，基于MFAC和遠程通訊的基礎，實現了自主控制與遠程控制的和諧統一，提高了系統的可靠性和可維護性。系統在滿足人們用水需求的同時，在很大程度上減少了能耗，在倡導節能環保的今天，該技術成果擁有廣闊的推廣空間。

[1]劉 宜，方桂筍，李晨晨，等. 基于PLC的泵站供水控制系統的設計[J].排灌機械，2007，25(6)：17-20. Liu Yi，Fang Guisun，Li Chenchen，et al. Design of Water Supply Control System Based on PLC[J]. Drainage and Irrigation Machinery，2007，25(6)：17-20.

[2] 湯燕燕，張雅君. 城市節水“碳足跡”的探討[J]. 環境保護與循環經濟，2010(10)：73-75. Tang Yanyan，Zhang Yajun. Discussion on Urban Water-Saving“Carbon Footprint”[J]. Environmental Protection and Circular Economy，2010(10)：73-75.

[3]韓安榮. 通用變頻器及其應用[M]. 北京：機械工業出版社，2003：5-12. Han Anrong. General Frequency Converter and Application [M]. Beijing：China Machine Press，2003：5-12.

[4] 初乃茂. 變頻恒壓供水系統的研究與應用[D]. 大連：大連理工大學，2007. Chu Naimao. Research and Application of Frequency Constant Pressure Water-Supply System[D]. Dalian：Dalian University of Technology，2007.

[5]鄭美容. 恒壓供水系統中智能控制方式的應用研究[D]. 重慶：重慶大學，2009. Zheng Meirong. The Intelligent Control Policy Applied Research on Water Supply System[D]. Chongqing：Chongqing University, 2009.

[6] 曹榮敏，侯中生. pH值中和反應過程的無模型學習自適應控制[J]. 計算機工程與應用，2006，42(28)：191-194. Cao Rongmin，Hou Zhongsheng. Model-Free Learning Adaptive Control of a pH Neutralisation Process[J]. Computer Engineering and Applications，2006，42(28)：191-194.

[7]Tan K K，Lee T H，Huang S N，et al. Adaptive Predictive Control of a Class of SISO Nonlinear Systems[J]. Dynamics and Control，2001，11(2)：151-174.

[8] 李建平，黃宜山，劉東南. Lorenz系統的自適應反同步控制及其應用[J]. 湖南工業大學學報，2011，25(1)：93-97. Li Jianping，Huang Yishan，Liu Dongnan. Adaptive Anti-Synchronization Control of Lorenz Chaotic System and Its Application[J]. Journal of Hunan University of Technology，2011，25(1)：93-97.

[9] 趙士軍. 基于無模型自適應控制的溫度控制實驗平臺設計與實現[D]. 北京：北京交通大學，2010. Zhao Shijun. The Design and Implementation of Temperature Control Experiment Platform Based on Model-Free Adaptive Control[D]. Beijing：Beijing Jiaotong University，2010.

[10]Coulbeck B， Ulanicki B， Rance J P，et al. Pressure Control of a Moscow Water Supply System Using Expert System Technology[J]. Measurement and Control，1996，18(4)：193-201.

[11]Man K F，Yung W K，Chow T W S. Adaptive Control Strategy of a Water Supply System[C]//Third International Conference on Software Engineering for Real Time Systems. Cirencester：[s.n.]， 1991：125-128.

（責任編輯：鄧光輝）

The Low Carbon Technology for Frequency Constant Pressure Water Supply Control and Application

Lu Xiangjiang，Wu Yulong
（School of Mechanical Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In view of the problems of instability, excessive energy consumption and long time lag of current variable frequency constant pressure water supply, the model free control method was applied to the constant pressure water supply system, and on the basis of research of water supply characteristics, the specific water supply equipment was analyzed and improved. The practice showed that the improved water supply system realized stable pressure water supply, obvious effect of energy-saving, fast response speed and long-term stable and reliable operation.

constant pressure water supply；energy-saving；water pump；frequency speed regulation

TP273

：A

：1673-9833(2014)01-0098-06

2013-11-13

盧祥江（1988-），男，湖南吉首人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為機電控制技術，

E-mail：lu_xiangjiang@163.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.01.020