祁增慧 杜建军 桂 垣 范永胜

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.张家口市供水总公司，河北 张家口 075000)

0 引 言

随着我国中小城市的城市建设及其经济迅猛发展，对城市供水系统提出了更高的要求.供水的可靠性、稳定性、经济节能性直接影响城区的建设和经济的发展，也影响到城区居民的正常工作和生活.

图1 泵房供水系统结构示意图

目前，国内城市小区供水模式普遍采用城市管网直接供水模式或小区内修建蓄水池，由变频器拖动若干台水泵循环供水，夜间低速运行或切换小功率泵工作模式.直接供水模式当遇到城市供水管网压力偏低，或出现故障，就无法正常生活工作，供水可靠性差；夜间低速运行或切换小功率泵工作模式，虽然在一定程度上降低了功耗，但变频器拖动电机长期低速运行效率偏低，能耗提升，增大小区居民的生活成本，且夜间电机运行有噪声，对居民生活有一定的影响.有部分小区采用恒速泵+气压罐供水方式即利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停.其优点是灵活性大，建设快，有一定的节能效果.缺点是此方式调节量小、水泵电机起动频繁，为减少水泵起动次数，停泵前压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展.

“双储”模式即供水系统储水和储能的运行模式，可有效解决小区供水的可靠性、稳定性、经济节能性，通过变频机组与气压罐的“柔性”切换及供水系统参数的自适应调节.获得良好的静、动态指标.

1 系统总体方案

德胜住宅小区基本情况及用水需求：用户总数：500户，最高楼层11层.泵房供水系统结构示意图如图1所示，依据《建筑给水排水设计规范》，考虑小区的地理环境和可靠性及节能要求，在小区地下建一供水泵房；泵房内建有储量为100吨的贮水池一个.泵房内设备：设计主水泵三台(图中1#、2#、3#泵)，流量：24吨/小时，扬程：60米，电机功率7.5KW，高峰用水量：72吨/小时；辅助泵一台(图中4#泵)，流量：12吨/小时，扬程：60米，电机功率4KW；自动补气式气压罐一个.

本系统采用城市管网直供与小区二次加压相结合的供水方式，当城市管网压力满足要求时，小区水泵停止运行，由城市管网直接供水，避免重复加压，实现节能.在城市管网发生意外停水时，贮水池的储水量可供小区居民三天的用量，满足供水的可靠性，水泵运行时，贮水池还可起稳流缓冲作用.

当城市管网压力不足时，开启小区水泵.根据小区用水量可分为小、中、和大三种情况，分别由气压罐、辅助泵及三台主水泵的运行实现增、减压，通过三台主泵工频/变频转换并与气压罐及辅助泵合理切换，经水压反馈控制实现恒压供水.辅助水泵运行时，出水管经气压罐进入小区管网，通过对罐内空气的压缩，实现能量的储备，在夜间小区用水量小时，四台水泵停机，由气压罐维持足够的压力.降低能耗，消除水泵运行的噪声.

2 恒压供水系统的硬件电路

图2所示为小区泵房供水系统电气控制框图，系统硬件电路由三部分组成.

图2 泵房供水系统电气控制框图

(1)主电路：三相交流工频市电经开关和断路器分为两路，一路经接触器为水泵电机供电，实现工频运行，另一路经由变频器及接触器为水泵电机供电，实现变频运行.

(2)继电接触器控制电路：本系统可实现自动/手动运行，当变频器或PLC自动控制线路出现故障及一些特殊情况时，切换到手动控制，由接触器控制水泵的启停.该部分还包括指示电路、计量电路及保护电路.

(3)自动调节控制电路：该部分电路包括PLC输入、输出端子与各被控设备及检测部件的连接线路，变频器各控制端子的连接线路及与压力检测反馈信号的连接线路.

3 供水状态及其转换

供水状态是指供水时按照用水量的大小设定投入运行的水泵台数及运行状况(工频、变频)或其他增压设备.系统采用了三台主水泵和一台辅助泵供水结合气压罐及城市管网直供的方式满足供水需求，其中只有主水泵参与变频运行，除城市管网直供的方式外共有11种有效供水状态，见表1.

表1 系统供水状态

图3 供水状态转换图

为避免每台水泵处于长期运行或长期停机状态，充分应用PLC逻辑控制能力，采用了多泵有效循环(即“先起先停”原则)结合大、小泵及气压罐的相互切换达到恒压控制.供水状态转换图如图3所示.图中，箭头向下为增泵过程，箭头向上为减泵过程.增、减泵是通过PLC采集变频器的上、下限频率信号以及远传压力变送器所检测的压力上、下限信号通过软件编程实现的.本系统所选用的远传压力变送器有两路信号输出，一路为即时压力信号，与设定的压力值比较形成偏差，经内置的PID运算后控制拖动电机变频调速，实现恒压供水；另一路是通过设定压力上、下限值，当压力达到该值时便产生超压信号或欠压信号，将该信号反馈到PLC对应的输入端子，作为减泵或增泵的条件之一.这样设计虽然在增、减泵时水压与设定值有一定的偏差(但在允许范围内)，但可以有效地避免了电机可能出现的反复起、制动，消除切换时对水泵和电机以及供水管路的冲击，延长使用寿命，减少故障率，即实现水泵机组之间以及与气压罐之间的“柔性”切换.在软件编程时，设置3-5分钟增、减泵的延时锁定，保证“柔性”切换的可靠性.

4 动、静态性能分析

为全面提升系统的动、静态性能，本系统在压力闭环控制通道设置了PID调节，小区供水系统由于所处地理位置、楼层高度、住户数量的不同、难以建立精确的数学模型，PID参数无法通过理论以及系统仿真确定，由于用户在不同时段的用水量不同，投入的水泵数量不同，系统具有显著的时变性，如果PID参数固定不变难以获得满意的效果.课题组通过对德胜小区供水系统现场调试，在不同供水状态下依据控制规律反复调整PID参数直至达到相对满意的动态指标，记录比例系数、积分和微分时间常数，并将其储存在PLC中，运行时，根据不同的供水状态，按照模糊控制原则调用对应的PID参数，实现过程控制的自适应调节.由于引入积分环节，理论上系统无稳态误差，但现场变频器显示的频率及压力表显示的压力不断变化，反映系统对用户用水量变化带来的干扰一直处于动态的调节过程中，压力变化值很小，调节时间很短.

5 结束语

本文提出了一种基于“双储”模式下的供水控制系统，通过地下贮水池设置，提高了小区供水的可靠性；采用小功率辅助泵+气压罐储能结合城市管网直供的方式，并通过软、硬件实现水泵机组之间以及与气压罐之间的“柔性”切换，在变频控制的基础上，进一步节能，减小状态转换的冲击；对供水压力的闭环模糊控制及一定范围内PID参数的自适应调节，提高了系统的稳定性及动态性能，通

过对德胜小区供水系统近半年的运行测试，各项性能指标良好.本设计精度高、响应快，节能显著，有广阔的应用推广价值.