变频调速节能及其在原水净化系统中的应用

熊宪生

(重庆腾升建筑工程有限公司智能化部，重庆 404000)

随着经济的快速发展，环境污染使水质恶化日益加剧，导致在有限的水资源中相当部分失去了使用价值，更严重的是随未经处理的污水排放到江河湖泊水源中的汞、镉、铅、砷、挥发酚、6价硌等污染直接威胁着人们的健康，如对生活水处理不好，控制不当，后果将不堪想象［1－5］。有人甚至认为中国所面临的水危机要比任何的金融危机都要严重得多，因此水的净化处理已经成为人们所关注的焦点。水是人类赖以生存的基本条件，也是社会经济发展的必要条件，但是未经净化处理的水是不能饮用的。原水处理的核心是混凝投药系统的控制，由于该系统具有大惯性、大时延和不确定性等特点，再加上人们对净化过程机理还不是很清楚，因此很难通过建立过程模型找出混凝剂投量方法。采用常规控制方式对它进行控制几乎不可能取得好的效果。20世纪80年代以后，对净水场药剂投量采用模糊控制取得了较好的控制效果，控制器结构如图1所示。其工作原理是先根据统计模型确定基准药剂投量，然后由模糊控制规则确定投入量在基准值上的校正量。但是控制中在对过程控制特性的认识、控制策略的选取、控制算法的构造以及执行驱动实现方式的确定等方面还有许多问题并未得到满意的解决［6－7］，特别是能源消耗大显得非常突出。本文从控制论角度出发对变频器控制节能在水站净化系统中的应用作了些讨论。

图1 药剂投量控制系统结构框图

1 原水净化过程

“给水处理”是指为满足用户要求所进行的水质处理，为达到生活饮用水质要求通常称为“给水净化”。原水中大多数污染物是以颗粒物的形式被去除，或先使污染物吸附在颗粒物上，然后除去其颗粒物，其过程一般可分成混凝(包括加化学药剂、迅速混合、絮凝)、澄清、沉淀和过滤等4个过程，原水净化过程如图2所示。

图2 原水净化过程

1.1 混凝过程

抽取的原水中含有大量以胶体颗粒形式存在的杂质，在原水中投加铝盐或铁盐等混凝剂后，胶体颗粒结成大颗粒后会因重力作用而下沉。但如果投入混凝剂过量，颗粒间的电斥力增加，混凝效果反而下降，导致浑水不易变清，因此混凝剂投量的控制非常重要。在原水中加入石灰、烧碱等碱性物质的作用是调整水的pH值，投入混凝剂的作用是与水中的碱起化学作用产生氢氧化物胶体，由此可产生钒花。因此当原水碱度不足时，必须加入碱类物质。

1.2 澄清过程

在原水中加入混凝剂消除了杂质颗粒间的电斥力后，利用水力式机械使泥渣在池内不断循环，可更好地发挥泥渣的接触凝聚和吸附水中杂质的作用。泥渣在循环过程中颗粒变大逐渐沉淀，可提高澄清的效果。

1.3 沉淀过程

沉淀效果与诸多因素有关。当夏季水温高时，因水的黏度降低，如果其它条件不变，则颗粒沉速相应增加，沉淀效果较好。相反，冬季水温低时，沉速减小，沉淀效率降低。颗粒沉淀过程比较复杂，沉淀池颗粒一方面以一定流速在水平方向流动，另一方面以一定沉速沿垂直方向下沉，最后颗粒沿着斜线下沉。显然增加沉淀池面积可提高沉淀速度，增加颗粒密度和颗粒直径，可提高混凝反应效果和沉淀速度。由此可知，混凝剂投加的控制质量高低对于水的净化处理是非常关键的。

1.4 过滤过程

过滤是固液分离的最后工艺，也是最后一次除去颗粒物的装置。过滤的效果除与时间有关外，还与颗粒物、水、介质的性质及操作条件等有关。过滤直接影响出厂水质量，如果过滤效果好，在满足出厂水浊度工艺要求的前提下，可大幅度地降低混凝剂的投药量，达到节约资源的目的，所以过滤也间接影响了混凝剂的投药控制。

2 混凝影响因素分析

2.1 水力条件影响

为使原水和药剂充分混合与反应，必须人为地使水流紊动。混合阶段是混凝剂水解，生成金属氢氧化胶体，吸附和黏着水中杂质以形成钒花，因此要求水与混凝剂尽量快速均匀地混合。反应阶段是从开始形成细微钒花到继续吸附黏着水中杂质使钒花逐渐结大的过程，反应阶段也要求水流有一定程度的紊动，使细微的钒花互相接触，但又不能过分强烈以免钒花破碎。因此其水流紊动程度要开始时大，随后逐渐减少。

2.2 水温影响

冬季加药量比夏季多，最高和最低加药量可相差几倍，说明水温对混凝效果有很大影响。当水温在10～15℃以下时，生成的钒花比较紧密，易于沉淀，因为水温低则颗粒的碰撞机会少，混凝效果就差。水流对钒花的剪力增加，使钒花易于破碎，不易结成大颗粒，可采取增加混凝剂的投加量，以改善颗粒之间的碰撞条件;或投加粘土以增加钒花重量，并投入助凝剂如活化硅酸和高分子混凝剂，以增加钒花强度，提高混凝沉淀效果。

2.3 水的pH值影响

例如铝盐加入原水后生成的氢氧化铝胶体可以起混凝作用。当水的pH值在6.5～7.5范围变化时，氢氧化铝的溶解度最小，以氢氧化铝胶体状态存在于水中，效果好;但是当水的pH值＞7.5时，氢氧化铝就溶解了，不再是氢氧化铝胶体，而是以铝离子状态存在;当水的pH值再大些，例如pH值＞8.5时，氢氧化铝胶体又明显地溶解，生成酸离子，这时，混凝效果又很差。与此相类似，因为原水中含有各种溶解的盐类和各种有机胶体，因此混凝剂的最佳pH值范围要随具体条件而变化。

2.4 水的碱度影响

混凝剂投入原水后，由于水解作用，水中氢离子的数量增加，提高了水的酸度，pH值随之降低。因此，水中必须有一定量的碱度以中和因水解而产生的酸度。如果原水中的碱度足够抵偿，则混凝剂投入水中就能充分水解，形成氢氧化物胶体，混凝效果就比较好。

综上所述，水力条件、水温、水的pH值和水的碱度等参量对混凝沉淀效果均影响很大，因此反应过程非常复杂。这些参量随气候、天气等环境参数的变化而变化。从原水变成可饮用的水约需要几个小时(一般是1到3.5小时不等)，从原水到澄清水也约需45 min，所以水的混凝阶段是一个干扰较大、纯滞后和大惯性过程。水力条件、水的pH值和水的碱度很难找到合适的量值，而且是随时变化的，因此实际工程中，它们都是难以控制的，水温就更不可控，因此只有控制好混凝剂的投入量才能提高合格水的质量和产量。

3 过程特性与控制策略

3.1 控制论特性

原水净化是一个复杂过程，其控制论特性一般表现为多变量、强耦合、参数时变、约束多样与具有不确定性。由此可见，净化过程参数具有未知性、时变性、随机性和分散性;原水净化是一个大惯性系统，具有大时滞特性，其时滞大小与众多因素相关，表现出很强的未知性与时变性;由于作用空间大而且不均衡，其过程存在严重的非线性;混凝效果受温度等多因素影响，过程各变量间具有强关联特性;过程受各种外界因素的影响，环境干扰充满未知性、多样性和随机性。净化过程非常复杂，集中表现为具有很强的不确定性，因此在控制中存在诸多问题。

3.2 控制策略选取

上述控制论特性表明:净化过程难以进行数学建模，因此几乎不可能用传统控制方法对复杂的净化过程实现有效控制。必须从控制论层面探索更有效的控制策略。智能控制是在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术，它涵盖了智能控制及智能优化方法等诸多技术与内容，各自自成体系，又互相联系，但是各自都局限于某些特定领域的应用［8－9］。如模糊逻辑控制无须数学模型，比较适合于复杂的非线性过程。对于复杂过程，因受不确定性等因素的影响，其控制规则难以覆盖所有的工况，即使与其它控制策略配合使用，也会因为控制规则复杂而难以获得好的控制效果。神经网络控制的最大优点是有较强的学习能力和容错性，可以充分逼近任意复杂的非线性关系，但其预测能力在很大程度上依赖于训练数据的状况，由于不确定性数据中存在干扰，常会出现过界问题，从而导致控制无规律可循。其它如学习控制，分层递阶控制等对复杂过程中的不确定性因素等的处理也没有良好的应对之策。值得注意的是仿人智能控制策略，它的基本特点体现在模仿人的智能，在控制功能和结构方面模仿控制专家的控制行为，根据不同的过程动态特征，采用不同的控制模式，也可交替地使用多种控制模态。多模态控制的优势在于可以恰当地协调诸多相互矛盾的控制品质要求，比如快速性与平滑性、鲁棒性与精确性等，因此多模态控制是贴近控制工程实际的。事实证明，仿人智能控制策略在复杂控过程等控制领域取得了许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 变频器在监控中的应用

4.1 变频节能

选取了控制器和控制算法后，如没有优秀的执行器及其驱动装置执行，其控制策略是难以实现的。以下从执行驱动角度讨论变频调速的节能原理。各种药剂泵和水泵的原动力都是电动机，而电动机的精准运行是靠变频器驱动的，其优良特性决定了变频器在水系统中的重要地位。按照电机理论，电机转速公式为:

式中:p为电动机的极对数，S为转差率，f为供电电源频率，n为电动机的实际转速。从电机转速公式可以看出:电机转速与频率近似成正比，改变频率即可平滑地调节电机转速。泵类负载属平方转矩负载，其转速n、流量Q、压力H以及轴功率P具有如下关系:Q∝ n，H∝ n2，P∝ n3，即流量与转速成正比，压力与转速平方成正比，轴功率与转速立方成正比。由上述分析可知:通过改变电动机转速就可方便地改变流量，有效保证系统达到期望的工况。使用变频调速技术不仅调节方便，而且节能效果也很明显。设电动机额定功率为PN，额定转速为nN，当转速为n时实际输出功率为P，则节能(用功率表示)ΔP可以表示为:

如取 n/nN=2/3，则 ΔP=0.67PN，即节能效果在理想情况下可达67%。可见只要采用变频调速技术，采用变频调速驱动其节能效果是很显著的。因此，变频器使用不仅调节平滑精准可实现无级调速，保证控制系统的动静态控制品质，使水的净化程度更高，而且也可大幅度节约能源。

使用变频调速技术(变频器)还有以下优点:

1)可方便地实现无级调速、电机软起动和自由停车。电动机均通过变频器或软起动从0～50 Hz作缓慢加速起动，既减少了机泵因突然高速起动所带来的影响，又减少了直接起动时起动电流对电网的冲击;

2)可提高功率因数，改善电动机电源质量，保证电动机的功率与实际负荷相匹配，达到系统节能运行的目的;

3)可消除机泵的喘振现象，可使机泵运行处于最佳工况状态;

4)可方便地实现自动控制，使被调节量得到更平稳的调节，增强了系统的稳定性和可靠性。

4.2 原水净化系统集成监控

水净化站多个监控系统中各个控制回路的原理均相同，如图3所示。图3中，e(t)为过程偏差，r(t)是过程输入，y(t)是过程输出，根据过程偏差及其变化走势，采用仿人智能控制策略，就可以构造出各种适宜于各个控制回路的控制算法，借助变频器实现节能控制。

图3 监控系统

现以某生活水净化站技术改造为例，该站有多台原水泵、药物投放泵和生活水配送加压泵，采用了变频器应用界面集成，既方便了监控又便于综合管理，更重要的是优化了控制，驱动执行采用变频器，综合节能效果达到45%，节能效果非常明显。值班人员只需观察该集成界面的相关参数就可了解水质净化情况及自动配水与供水的情况;如果出现异常状况，只需点击相应图标，转换至相应工作界面就可查看画面，发现问题所在。界面集成监控设计内容包括:人机界面，设备控制和管理，数据管理与报警和事件管理等。该系统既保证了供水品质，又方便了各个监控系统的协调运行。

5 结束语

随着新型城镇化与智慧小区建设的推进，水资源矛盾将会变得愈来愈突出，为了达到环保节能的目的，就不可忽略控制系统的驱动环节。事实上采用变频器不仅节能，更重要的是可提高系统调节的精准度，如果在系统设计时更加注意界面集成，将会给维护使用带来更多的方便。

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