水處理提升泵頻率控制方法分析與創(chuàng)新

溫志軍

（北京中燕通科技開發(fā)有限公司，北京 101102）

0 引言

水處理提升泵系統(tǒng)具有多變量、高相關(guān)、非穩(wěn)態(tài)、大滯后等特點(diǎn)，如果設(shè)計規(guī)模與泵本身的處理能力不符合、泵的容量遠(yuǎn)高于處理能力或在運(yùn)行初期暫時超過處理能力，都會造成資源浪費(fèi)。部分泵則難以達(dá)到系統(tǒng)滿載所需要的處理能力。提升泵多泵組合有各式各樣不同的控制方式，如手動控制、自動控制等，自動控制又分為超聲波連續(xù)液位控制、液位開關(guān)控制等方式。傳統(tǒng)控制方式過于復(fù)雜的控制策略與控制流程，導(dǎo)致難以執(zhí)行和維護(hù)；有的系統(tǒng)又過于簡單，系統(tǒng)難以穩(wěn)定運(yùn)行，無法正常應(yīng)對各種水量變化的特殊情況。在提升泵的提升能力方面，調(diào)度的不合理、各級提升之間無法通信、水量處理不及時或突變帶來的沖擊是整個系統(tǒng)應(yīng)用的主要瓶頸。

1 傳統(tǒng)水處理提升泵站的組成

水處理提升泵系統(tǒng)和恒壓供水的管道系統(tǒng)不同，一般是非恒壓的管道系統(tǒng)。城市生活污水和雨水通過各級提升泵站到達(dá)最后的污水處理廠，一般每個泵站設(shè)計3 臺相等容量的水泵，分別編號為A 泵、B 泵、C 泵，任意2 臺水泵的能力即可滿足最大提升能力。一般3 臺水泵采用2 用1 備的運(yùn)行方式，3 臺水泵同時運(yùn)行的情況只有在水量突變的特殊情形下才可能出現(xiàn)。提升泵控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了幾檔水位，分別對應(yīng)水泵停轉(zhuǎn)、單泵運(yùn)行、2 泵運(yùn)行和3 泵同時運(yùn)行的狀態(tài)。

有的水泵的啟停控制與出水管道上的電磁閥設(shè)置聯(lián)鎖（機(jī)械與電氣雙重互鎖），閥門關(guān)閉時才能啟動水泵，有的水泵管道上有逆止閥防止倒流。水泵停止的時候要防止水錘效應(yīng)，防止管網(wǎng)壓力突然過大或過小。

2 傳統(tǒng)水處理提升泵控制的主要問題

當(dāng)整體泵站實(shí)行手動開啟泵時，泵的運(yùn)行數(shù)量根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。人工控制法的控制效果與操作人員的經(jīng)驗(yàn)有密切關(guān)系，在來水量變化頻繁、集水井容量較小的情況下控制難度很大。自動控制需要控制設(shè)備開啟數(shù)量、泵的輪換，對故障信號識別報警；當(dāng)水量變化幅度大時，使用浮球液位開關(guān)進(jìn)行控制容易造成泵的頻繁啟停，影響水泵的使用壽命。使用變頻控制水泵會帶來一系列好處，如軟啟動、軟停止、無級調(diào)節(jié)流量等，可以低速連續(xù)運(yùn)行，如果控制策略設(shè)置不當(dāng)也會帶來一系列問題。

3 傳統(tǒng)水處理提升泵控制策略

（1）啟?？刂?。一般是制定最低液位和最高液位，調(diào)整停泵液位、開泵液位、加泵液位和減泵液位，如計算從當(dāng)前液位到最低液位或最高液位的時間，來調(diào)整控制液位。

（2）輪休策略。為保證水泵運(yùn)行時間能夠均衡，避免備用水泵長時間不運(yùn)行而導(dǎo)致絕緣電阻下降、使用壽命縮短等問題的發(fā)生，采取循環(huán)啟動水泵的輪換運(yùn)行方式，確保每臺泵運(yùn)行時間近似相等以延長壽命。

（3）增減泵策略。利用增加泵臺數(shù)（變頻增速）或減少泵臺數(shù)（變頻減速）來調(diào)整流量，盡量避免頻繁啟停造成水流量波動大、能耗高的問題。根據(jù)實(shí)際情況確定不同泵的數(shù)量、開停組合和液位控制條件，利用液位變化率對增減泵控制液位進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，選擇水泵啟停切入點(diǎn)，減少水泵的啟停次數(shù)；利用變頻的漸變調(diào)整替代工頻泵的整體切換，利用變頻器的調(diào)速功能減少對管道閥門和后續(xù)處理單元的流量沖擊。

（4）備用泵原則。讓數(shù)臺泵互為備用，延長提升泵站的運(yùn)行時間，盡可能實(shí)現(xiàn)不間斷輸水。

（5）調(diào)容方法。增大前池調(diào)蓄容積可以增加提升泵的控制能力，但是可行性受資金投入及工況限制?？梢圆扇∨c水廠調(diào)節(jié)池聯(lián)合調(diào)度的方式將調(diào)節(jié)池當(dāng)作系統(tǒng)可調(diào)蓄的大容量前池，增大前池調(diào)蓄容積，達(dá)到預(yù)期節(jié)能效果。

（6）降低泵揚(yáng)程。理論上給提升泵增加勢能可以節(jié)能。在確保不溢流的情況下，采取高水位運(yùn)行方式，可以減少泵的靜揚(yáng)程，降低提升能耗，但是會減少提升系統(tǒng)抗擊來水沖擊的能力。

（7）泵變頻特性曲線。變頻泵盡量以最節(jié)能的調(diào)速頻率運(yùn)行，根據(jù)泵的特征曲線，使提升泵工作在效率較高的工況點(diǎn)。需要考慮變頻節(jié)能頻率范圍，進(jìn)行需水預(yù)測管理。

（8）概率的控制策略。根據(jù)泵啟停概率的最大值和最小值，首先啟動概率值最小的泵，停止概率值最大的泵，根據(jù)泵壽命、使用頻率和影響程度判定具體啟停哪些泵，在很大程度上提高了提升泵使用均衡性，延長提升泵的使用壽命，縮減泵檢修頻率。

（9）啟動電流的影響。避免電機(jī)功率過大導(dǎo)致過大的啟動電流對電網(wǎng)和設(shè)備造成沖擊，解決變頻泵在切換時因負(fù)載電流突變對變頻器的電流沖擊。

4 傳統(tǒng)水處理提升泵控制方式的弊端

各類影響提升泵控制策略的原因，導(dǎo)致傳統(tǒng)控制方式有以下弊端：①總來水量不足，有時候造成停水；②來水量沖擊，破壞污水生化處理能力；③處理不及時造成管網(wǎng)溢流；④來水量變化很難預(yù)測，不同的時間和天氣都會發(fā)生巨大變化；⑤設(shè)置的啟停液位導(dǎo)致水量變化突然，對電網(wǎng)、管網(wǎng)和污水處理造成沖擊；⑥采用智能控制中模糊控制、專家系統(tǒng)的控制方法，除了需要人工預(yù)先做出策略，實(shí)施難度也極高，具體的使用和維護(hù)要求很高。

5 一種全新的水處理提升泵控制方法

發(fā)明專利《一種水處理的提升泵頻率控制方法》（申請?zhí)枺?01810351894.7）公開了一種水處理的提升泵頻率隨動控制方法，能利用變頻器的頻率調(diào)整功能調(diào)整流量，根據(jù)進(jìn)水管網(wǎng)流量變化造成的集水井液位變化進(jìn)行自動控制，能連續(xù)、及時、可靠地實(shí)現(xiàn)提升泵的流量控制功能。該發(fā)明需要的監(jiān)測和執(zhí)行設(shè)備很少，卻極容易實(shí)現(xiàn)自動隨動控制。運(yùn)行過程中可以完全脫離人員干預(yù)操作，減少運(yùn)行和維護(hù)成本。適合建設(shè)期的新設(shè)計的系統(tǒng)，也適合對原有系統(tǒng)進(jìn)行改造。

所有的水處理提升泵都由變頻器控制，集水井內(nèi)安裝連續(xù)測量液位高低的液位計，液位計的測量值輸出給變頻器、PLC、控制儀表或工控機(jī)。設(shè)定集水井液位的較低值對應(yīng)變頻器的最小輸出頻率，設(shè)定集水井液位的較高值對應(yīng)變頻器的最大輸出頻率。提升泵變頻器的頻率和液位計的測量值按線性變化，使得變頻器輸出達(dá)到最大頻率的液位稱為滿頻液位，滿頻液位可以高于真實(shí)的集水井最高液位，也可以低于真實(shí)的集水井的最高液位。通過液位計輸出值的大小控制變頻器的頻率設(shè)定值。通過調(diào)整提升泵的啟動數(shù)量和對應(yīng)滿頻液位的高低設(shè)定值來改變進(jìn)水流量。在提升泵的保護(hù)液位以下，所有提升泵自動停止運(yùn)行；在提升泵的保護(hù)液位以上，收到啟動命令的提升泵自動開始運(yùn)行。

所有的提升泵共用一臺變頻器控制或每臺泵使用單獨(dú)的變頻器控制。液位計可以采用超聲波式、靜壓式、激光式、滑動或轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)式液位計。在滿足進(jìn)水流量的情況下，多余的、備用的或有故障的提升泵不啟動。在揚(yáng)程基本不變的情況下，假定集水井最高液位是10 m，實(shí)際液位在5 m，改變滿頻液位的流量計算式：泵的流量=泵的額定流量×（實(shí)際液位/滿頻液位）3。

6 具體實(shí)施的實(shí)例

某污水處理系統(tǒng)有3 臺7.5 kW 提升泵，提升泵保護(hù)的最低液位為1.0 m。每臺都有變頻器，都能單獨(dú)啟動和停止，3 臺提升泵共用1 臺集水井的超聲波液位計。

步驟1：設(shè)定每臺提升泵最低頻率對應(yīng)的液位為0.0 m，設(shè)定每臺變頻器最高頻率50 Hz 對應(yīng)的滿頻液位8.0 m。例如集水井實(shí)際液位為6 m 時，提升泵的運(yùn)行設(shè)定頻率為37.5 Hz。

步驟2：設(shè)定停泵液位1.0 m，根據(jù)進(jìn)水流量的需要啟動1臺提升泵。

步驟3：集水井實(shí)際液位為7 m 的時候，提升泵的運(yùn)行設(shè)定頻率為43.75 Hz。

步驟4：觀察一段時間，如果感覺進(jìn)水流量偏大，可以將每臺變頻器最高頻率50 Hz 對應(yīng)的液位改為9.0 m。例如集水井實(shí)際液位為7 m 時，提升泵的運(yùn)行設(shè)定頻率為38.8 Hz。

步驟5：當(dāng)液位低于0.9 m 時候，提升泵自動停止。當(dāng)液位高于1.0 m 時候，提升泵自動啟動。

步驟6：提升泵長期運(yùn)行，會自動找到頻率和液位的平衡點(diǎn)，達(dá)到基本穩(wěn)定的進(jìn)水。

該發(fā)明能利用變頻器的頻率調(diào)整功能調(diào)整流量，又根據(jù)進(jìn)水管網(wǎng)流量的變化造成的集水井液位的變化進(jìn)行自動控制，能連續(xù)、及時和可靠地實(shí)現(xiàn)提升泵的流量控制功能。

7 總結(jié)

成果和經(jīng)驗(yàn)：①水處理提升泵最好采用變頻控制；②水泵的集水井要配備連續(xù)測量的液位計；③全部變頻控制的水泵最好連續(xù)運(yùn)行，沒有主、備用水泵的區(qū)分；④滿頻液位可以低于或高于真實(shí)集水井的實(shí)際液位；⑤根據(jù)提升能力或污水處理的實(shí)際能力，參考前一天的實(shí)際水量調(diào)整泵的運(yùn)行數(shù)量或滿頻液位來控制提升水量，降低滿頻液位會增加總進(jìn)水量；⑥低來水水量的時候，不會造成進(jìn)水停止，低水位會導(dǎo)致運(yùn)行頻率下降，而泵的流量和頻率是三次方關(guān)系，流量會劇烈下降，保證連續(xù)進(jìn)水不停歇；⑦運(yùn)行過程中自動平衡的液位由于永遠(yuǎn)都不會達(dá)到很低的停泵液位，實(shí)際上是增加了提升泵的勢能，具有節(jié)能功效。