溫志軍

（北京中燕通科技開(kāi)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(jì)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(shí)超過(guò)處理能力，都會(huì)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(dòng)控制、自動(dòng)控制等，自動(dòng)控制又分為超聲波連續(xù)液位控制、液位開(kāi)關(guān)控制等方式。傳統(tǒng)控制方式過(guò)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(guò)于簡(jiǎn)單，系統(tǒng)難以穩(wěn)定運(yùn)行，無(wú)法正常應(yīng)對(duì)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(jí)提升之間無(wú)法通信、水量處理不及時(shí)或突變帶來(lái)的沖擊是整個(gè)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(guò)各級(jí)提升泵站到達(dá)最后的污水處理廠，一般每個(gè)泵站設(shè)計(jì)3 臺(tái)相等容量的水泵，分別編號(hào)為A 泵、B 泵、C 泵，任意2 臺(tái)水泵的能力即可滿足最大提升能力。一般3 臺(tái)水泵采用2 用1 備的運(yùn)行方式，3 臺(tái)水泵同時(shí)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(duì)應(yīng)水泵停轉(zhuǎn)、單泵運(yùn)行、2 泵運(yùn)行和3 泵同時(shí)運(yùn)行的狀態(tài)。

有的水泵的啟?？刂婆c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(shí)才能啟動(dòng)水泵，有的水泵管道上有逆止閥防止倒流。水泵停止的時(shí)候要防止水錘效應(yīng)，防止管網(wǎng)壓力突然過(guò)大或過(guò)小。

2 傳統(tǒng)水處理提升泵控制的主要問(wèn)題

當(dāng)整體泵站實(shí)行手動(dòng)開(kāi)啟泵時(shí)，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(lái)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(dòng)控制需要控制設(shè)備開(kāi)啟數(shù)量、泵的輪換，對(duì)故障信號(hào)識(shí)別報(bào)警；當(dāng)水量變化幅度大時(shí)，使用浮球液位開(kāi)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(huì)帶來(lái)一系列好處，如軟啟動(dòng)、軟停止、無(wú)級(jí)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(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題。

3 傳統(tǒng)水處理提升泵控制策略

（1）啟停控制。一般是制定最低液位和最高液位，調(diào)整停泵液位、開(kāi)泵液位、加泵液位和減泵液位，如計(jì)算從當(dāng)前液位到最低液位或最高液位的時(shí)間，來(lái)調(diào)整控制液位。

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

（3）增減泵策略。利用增加泵臺(tái)數(shù)（變頻增速）或減少泵臺(tái)數(shù)（變頻減速）來(lái)調(diào)整流量，盡量避免頻繁啟停造成水流量波動(dòng)大、能耗高的問(wèn)題。根據(jù)實(shí)際情況確定不同泵的數(shù)量、開(kāi)停組合和液位控制條件，利用液位變化率對(duì)增減泵控制液位進(jìn)行動(dòng)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(duì)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(tái)泵互為備用，延長(zhǎng)提升泵站的運(yùn)行時(shí)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(shì)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(huì)減少提升系統(tǒng)抗擊來(lái)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(cè)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(dòng)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(zhǎng)提升泵的使用壽命，縮減泵檢修頻率。

（9）啟動(dòng)電流的影響。避免電機(jī)功率過(guò)大導(dǎo)致過(guò)大的啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備造成沖擊，解決變頻泵在切換時(shí)因負(fù)載電流突變對(duì)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(lái)水量不足，有時(shí)候造成停水；②來(lái)水量沖擊，破壞污水生化處理能力；③處理不及時(shí)造成管網(wǎng)溢流；④來(lái)水量變化很難預(yù)測(cè)，不同的時(shí)間和天氣都會(huì)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(duì)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(qǐng)?zhí)枺?01810351894.7）公開(kāi)了一種水處理的提升泵頻率隨動(dòng)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(dòng)控制，能連續(xù)、及時(shí)、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(cè)和執(zhí)行設(shè)備很少，卻極容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)隨動(dòng)控制。運(yùn)行過(guò)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(jì)的系統(tǒng)，也適合對(duì)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(cè)量液位高低的液位計(jì)，液位計(jì)的測(cè)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(duì)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(duì)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(jì)的測(cè)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(guò)液位計(jì)輸出值的大小控制變頻器的頻率設(shè)定值。通過(guò)調(diào)整提升泵的啟動(dòng)數(shù)量和對(duì)應(yīng)滿頻液位的高低設(shè)定值來(lái)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(dòng)停止運(yùn)行；在提升泵的保護(hù)液位以上，收到啟動(dòng)命令的提升泵自動(dòng)開(kāi)始運(yùn)行。

所有的提升泵共用一臺(tái)變頻器控制或每臺(tái)泵使用單獨(dú)的變頻器控制。液位計(jì)可以采用超聲波式、靜壓式、激光式、滑動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)式液位計(jì)。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(dòng)。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(jì)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(tái)7.5 kW 提升泵，提升泵保護(hù)的最低液位為1.0 m。每臺(tái)都有變頻器，都能單獨(dú)啟動(dòng)和停止，3 臺(tái)提升泵共用1 臺(tái)集水井的超聲波液位計(jì)。

步驟1：設(shè)定每臺(tái)提升泵最低頻率對(duì)應(yīng)的液位為0.0 m，設(shè)定每臺(tái)變頻器最高頻率50 Hz 對(duì)應(yīng)的滿頻液位8.0 m。例如集水井實(shí)際液位為6 m 時(shí)，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(dòng)1臺(tái)提升泵。

步驟3：集水井實(shí)際液位為7 m 的時(shí)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(shí)間，如果感覺(jué)進(jìn)水流量偏大，可以將每臺(tái)變頻器最高頻率50 Hz 對(duì)應(yīng)的液位改為9.0 m。例如集水井實(shí)際液位為7 m 時(shí)，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(shí)候，提升泵自動(dòng)停止。當(dāng)液位高于1.0 m 時(shí)候，提升泵自動(dòng)啟動(dòng)。

步驟6：提升泵長(zhǎng)期運(yùn)行，會(huì)自動(dòng)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(dòng)控制，能連續(xù)、及時(shí)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(cè)量的液位計(jì)；③全部變頻控制的水泵最好連續(xù)運(yùn)行，沒(méi)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(lái)控制提升水量，降低滿頻液位會(huì)增加總進(jìn)水量；⑥低來(lái)水水量的時(shí)候，不會(huì)造成進(jìn)水停止，低水位會(huì)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(huì)劇烈下降，保證連續(xù)進(jìn)水不停歇；⑦運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)平衡的液位由于永遠(yuǎn)都不會(huì)達(dá)到很低的停泵液位，實(shí)際上是增加了提升泵的勢(shì)能，具有節(jié)能功效。