节能型乡镇供水系统的应用研究

杨 磊 沈 璐

（1.安徽机电职业技术学院机械工程学院；2.芜湖职业技术学院 安徽芜湖 241002）

节能型乡镇供水系统的应用研究目标是研究一种供水系统的实施方案，以乡镇用户对水的需求为前提，通过对管网用水流量以及供水压力的计算，合理控制水泵的取水量。实现用多少水供多少水。通过对供水管网中的用水量以及最不利点水压的计算，结合智能控制技术，通过传感器对供水系统以及变频泵进行系统优化控制。使得管网的水压随流量的变化而改变。让管网的各级设备在节能、高效的工况下运行。从而节约了扬程，降低了能耗。实现真正意义上的变压变量供水方式。这种方式降低了供水成本，满足不同用户的需要。

一、变压变量供水系统基本原理

（一）节能介绍。变压变量供水的特点是管网出水口的压力随着供水量的改变而改变。在管网供水量较少时，管网输出的水压也较低。在管网供水量较大时，管网输出的水压也升高，从而减少了用电量。在实际供水系统中的一个重要标准是：确保供水系统中最不利供水点的供水压力，并且同时满足所有用户同时用水的需求。如最不利供水点水压过低，会减少供水的可靠性。如水压过高，从而出现了扬程的浪费[1]。变频供水运行工况如图2-1 所示：A0为水泵特性曲线，H0为管网的特性曲线。Q2为流量，H2为扬程，n0为转速。B 为恒压供水工况下的水泵的工况点。通过对恒压供水的系统进行分析，在管网的扬程保持恒定的时候，管网流量从Q2转为Q1，电机转速从n0滑到n1，从而b为水泵新的工况点。扬程Δh1是系统节省的部分，但此时Δh2被忽略了，因此恒压供水系统浪费了一定扬程。下图的这种供水方式采取变压变量的方法，以管阻特性曲线为依托，把管阻特性和水泵扬程结合起来，当管网的流量下降至Q1时，水泵电机的转速也降至n2，此时C点为工况点。通过分析，变压变量的供水方式节省了扬程Δh2，从而进一步节约了能耗，可见变压变量的供水方式更加节能[2]。

图1 水泵节能原理图

假设最不利用水点的压力值为Hm，管网损失为Hf，管网初始压力为H0，见下列关系式：

以上是管网水损的公式。S0称为比阻，为单位流量的液体通过单位长度管道时所需水头。由于供水管网的主干道通常是恒定的，所以L为一个常量。则S=S0L，得出：

不如有些控制方法，但结构较为简单且更容易实现。而建造成本和恒压供水相当。节能效果远优于恒压供水。

由此可见恒压变量供水方式它是始终保持恒定的水压，虽然最不利用水点的水压得以保证，但却浪费了扬程，产生不必要的能源浪费。在恒压变量供水的基础上进行优化便产生了变压变量供水方式,节约了能源。

（二）系统结构。通过记录不同时段时管网的流量，以满足用户需求为前提条件，设定相对应的管路初始压力，并且将初始压力值存于存储器内。系统运行时，管网的水压会随流量的变化而变化。不同流量下所需的水压，控制器依据用水量的变化情况，控制水泵的转速和运行台数来调节供水管网的出口水压。在确保系统稳定性的前提下，尽可能的降低能耗。如图2所示：

图2 系统原理图

（三）控制策略。利用流量Q确定水泵扬程的方法。在供水管网中通过流量计将不同时间段检测到的管网流量Q反馈给PLC，再根据 确定水泵机组的总扬程H，通过变频调速使供水管网的流量和总扬程达到最佳工况点的要求。理论上对于单条的乡镇管网供水系统，可以得到相应的管阻特性曲线。根据管网的运行状况，近似估算出的管阻特性曲线。并通过模糊控算法由PLC完成控制的一系列控制过程。在实际运行中，因为管阻特征曲线不易确定，需要运行数据多年的积累。这里本文提出可根据乡镇供水管网的特点，采用取近似变压曲线控制的方法。可以把这种方法理解成为分时变量状态下的恒压供水系统。这种控制方法的精度虽不如有些控制方法，但结构较为简单且更容易实现。而建造成本和恒压供水相当。节能效果远优于恒压供水。

（四）工作原理。该系统采用3 台水泵对管网供水，分为1 台变频、1 台工频1 台变频、2 台工频1 台变频三种工作状态。供水系统利用安装在管网出口处的流量传感器，每隔30 分钟采集一次管网的流量数据。由于管网的水压和流量存在线性关系，可以计算出不同流量所对应的水压。把这些数据存入PLC进行参数的预设。供水系统把实际运行时采集到的管网出口水压与设定好的压力进行比较，计算压差变化率和压力差。把压差变化率和压力差传到模糊控制器进行模糊计算，得到输出频率。实现控制水泵转速来完成变压变量供水的整个过程。因为每30 分钟采集一次流量，所以每30 分钟完成一次分时变压的动作。如图3所示：

图3 近似变压曲线图

例如对某乡镇管网改造前进行实测得到宝贵数据，已知在保证最不利点水压为0.3Mpa的前提下，记录供水管网不同时间段下的流量和初始水压。通过PLC和变频器对3台水泵运行状态进行控制，使得管网在的不同流量下达到设定的参考水压值。如表1所示：

表2-1 管网参考水压值

（五）功能设计。

1.利用模糊控制原理,对供水系统采用变压变量的控制方式。并对每一台水泵电机进行软启动。

2.工频和变频实现自动切换。

3.采用先启先停的原则，自动切换到下一台泵，以防止泵长时间不用而锈死。

4.蓄水池缺水自动报警，停止工作。

5.接受到火警信号时，所有电机切换到工频，满负荷运行。

6.供水压力要求恒定，波动一定要小，尤其在换泵时。

7.为了检修和应急要设有手动功能。

二、变压变量模糊控制方法

模糊集合、模糊语言变量、模糊逻辑构成了模糊控制方法的知识结构。通过对人的思维方法的模拟，使其可以控制那些无法建立精确数学模型的对象和过程。模糊控制理论的实质是利用计算机来实现并具有模糊性的控制规则。控制过程分为模糊化、知识库、模糊推理和去模糊化4个步骤，也是一般模糊控制器的4 个组成部分。这些规则通过模糊控制器进行计算并利用计算机实现，最终完成由计算机代替人脑对对象进行自动控制的过程，这是模糊控制的基本原理[3]。

（一）系统原理。在确保最不利用水点的压力满足用户要求的前提下，管网用水量变化的同时，供水的压力也随之发生变化[4]。利用模糊控制的方法对供水系统进行变压变量控制的原理是：在信号采样时，把每次检测到的出口水压和当前流量下的预设的水压值进行比较。再把压力的差值输入模糊控制器，并通过模糊控制器算出压力误差变化量，通过模糊控制规则解模糊得出一个控制常量。把控制量的数值传输到变频器，从而对水泵电机的转速进行控制。在供水量变化较大时，可以利用 PLC来实现水泵变频和工频泵的转换，使管网的供水压随管网用水量的变化而变化[5]。

（二）模糊控制器的系统结构。在设计模糊控制器的时候，不用创建精确数学的模型，从而容易理解、接受模糊控制原理，把供水系统作为研究对象，由于供水管网很长，水压调节具有滞后性且流量变化较缓慢，管网的水压控制就是一个非线性、大惯量、动态的一个控制对象，适用于模糊控制理论的范围。供水管网模糊控制系统的基本结构如图4[6]所示：

图4 模糊控制系统原理图

（三）模糊控制系统的设计步骤。

1.定义输入、输出变量。由科学推导出的量和被控系统的观测量作为模糊控制系统的输入变量。由操控执行单元的操作量作为模糊控制系统的输出变量。设计模糊控制系统时的输出入量是，要通过科学推导，设计出正确的输出入量。

2.制定模糊控制策略。输入的观测量可以是数值，也可以是别形式的输入量。设计模糊控制系统时要通过输入量的不同形式，制定适当的模糊控制策略，便于转换成语言变量。

3.语言变量数据库的定义。

4.控制系统规则库的设计。

5.模糊推理的结构的设计。

6.解模糊，把模糊变量转换为可控量。

具体方法如下：

通过对系统控制策略的分析，确定系统的基本结构。以模糊控制器为核心，结合适应性环节，构成控制稳定、适应性好以及结构简单的控制系统。系统结构如图5所示：

图5 模糊控制系统结构图

图中pg为水压的设定值，pf为水压的实际测量值。它们的偏差为ec(e=Pf-Pg)以及偏差变化率为ec(ec=de/dt)。转化为量化因子，经过模糊化计算出模糊量E 和EC。输入到模糊控制器，经过模糊化、模糊推理和去模糊化这些步骤，取得输出量Δu。Δu和例因子Ku的乘积计算出输出频率 U给变频电机，从而完成一整套的模糊控制过程。

（1）输入量及其模糊化处理。考虑乡镇供水特殊性，设定管网最高水压值为0.7MPa，设定最低水压0.4MPa，从而偏差e 和偏差变化率ec 的基本论域就为(-0.3，0.3)MPa。量化因子取10，所以偏差和偏差变化率ec 的模糊论域为(-3，3)。因电网频率为50Hz，从而输出△u 的基本论域为(0，50)Hz，故比例因子取8，则输出△u的模糊论域为(0，6)。同理△u输出分为正大(PB)正中(PM)、正小(PS)、零(ZR)、负小(NS)、负中(NM)、负大（NB）7个模糊子集。

把压力偏差E建立为7个模糊子集：分别正大(PB)、正中(PM)、ZO 正小(PS)、零(ZR)、负小(NS)、负中(NM)、负大（NB）。隶属度函数如图6所示：

图6 压力偏差隶属度图

把压力偏差变化率EC 建立为7 个模糊子集，论域选择为（-3，3)。

分别正大(PB)、正中(PM)、ZO 正小(PS)、零(ZR)、负小(NS)、负中(NM)、负大（NB）。设计隶属度函数如图7所示：

图7 偏差变化率隶属度图

（2）输出量及其模糊化处理。把Δu 建立为7 个模糊子集：分别正大(PB)、正中(PM)、ZO 正小(PS)、零(ZR)、负小(NS)、负中(NM)、负大（NB）。设计隶属度函数如图8所示：

图8 输出频率的隶属度图

制定系统模糊控制规则如表2所示：

表2 模糊控制规则表

生成49条If-then语句：

If(E is NB)and(EC is NB)then（△u is PB）If(E is NB)and(EC is NM)then（△u is PB）If(E is NB)and(EC is NS)then（△u is PM）If(E is NB)and(EC is Z0)then（△u is PM）If(E is NB)and(EC is PS)then（△u is PM）If(E is NB)and(EC is PM)then（△u is Z0）If(E is NB)and(EC is PB)then（△u is NB）If(E is NM)and(EC is NB)then（△u is PB）If(E is NM)and(EC is NM)then（△u is PB）If(E is NM)and(EC is NS)then（△u is PM）1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.

（3）模糊控制查询表建立和解模糊。模糊子集的交叉节点处压力偏差变化率EC和压力偏差E的值会产生多种输出结果，解模糊的方法是利用重心法公式运算出输出结果，重心法如式（5）所示[7]:

因为偏差的变化率和压力偏差各有7个子集，所以输出共有49个结果，通过运算压力偏差变化率EC和压力偏差E的结果生成模糊控制规则表，并储存在PLC中，经过计算和查询可得到相应的输入。如表3所示:

表3 模糊控制规则表

案例：

当E=-0.5时对应的两个模糊子集:零(Z0)和负小(NS)；其隶属度为：

μ零(-0.5)=1/2；μ负小(-0.5)=1/2

当EC=-1.5 时对应的两个模糊子集:负小(NS)和负中(NM)；它的隶属度为：μ负中(-1.5)=1/2；μ负小(-1.5)=1/2

所以，激活的规则有4条：

E=(NS)且 EC=(NS)则 Δu=(PS) E=(Z0)且 EC=(NS)Δu=(PS）

E=(NS)且 EC=(NM)则 Δu=(PM) E=(Z0)且 EC=(NM)Δu=(PS)

对4 条隶属度规则取其两个前提条件中的隶属度中最小的：

依据三角形从属函数，模糊子集“正中”和“正小”对应的值为5Hz和4Hz，代入重心法公式计算得出式（6）：

由于比例因子为8，因此输出频率为32Hz。

三、结语

本文结合乡镇供水的实际情况和当今科学技术的成果，针对乡镇用户对供水系统的需求，设计出一套智能化程度高、节能高效、低维护成本、操作方便、安全可靠的变压变量供水系统。其基本工作原理是：通过对供水管网中的用水量以及最不利用点水压的计算，合理控制取水的深水泵的取水量，使得管网的水压随流量的变化而改变，实现用多少水供多少水。通过智能控制技术对供水系统以及变频泵进行系统优化控制、管理与监控，使管网的各级设备在节能、高效的工况下运行。从而节约扬程，降低能耗。使系统在安全、可靠、节能的工况下运行。