1、 本科毕业设计 (论文 )文献综述 电气工程及自动化 供水系统与节能技术综述 摘要： 在居民生活用水、工业用水、各类自来水厂、油田、油库、锅炉、定压供热和恒压补水喷淋及消防等供水系统中依旧采用传统老式的水塔、高位水箱、气压增压等设备 。 不但占地面积和设备投资巨大 ， 维护困难 ， 而且不能满足高层建筑、工业、消防等高水压、大量的快速供水需求。同时由于供水量的随机性采用传统控制方法 ， 难以保证供水压力的恒定和实时供水造成能量浪费严重。为解决这一问题 。 本课题设计了一种新型恒压变频供水自动控制系统。该系统以 AT89S51 单片机为核心 ， 采用 PID 算法 ， 硬件部分采用高精度高稳定的
2、信号系统利用 MAX813L 。 使系统更加紧凑。本文阐述了系统的控制要求 ， 分析了系统的工作原理和工作过程 。 给出了各部分硬件设计过程及其相关电路 ， 软件设计过程 ， 控制算法实现流程图 。 着重说明了 PID 算法在单片机上的实现方法 ， 同时阐述了系统的工作特点 。 实验证明这是一种经济实用的先进控制技术。 关键词： 单片机；变频 器 ； PID； 恒压 变频 供水 1 引言 众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。主
3、要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏 1。在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式 2。例如水泵从蓄水池中抽水加压直接送 往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。 2 供水的种类 2.1 恒速泵加水塔的供水方式 这种方式是水泵先向水塔供水，再
4、由水塔向用户供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力 3。水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。水泵处于断续工作状态中。这种供水方式，水泵工作在额定流量额定扬程的条件下 ，水泵处于高效区。这种方式显然比前一种节电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开、停频率等有关。供水压力比较稳定。但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大 ;水压不可调，不能兼顾近期与远期的需要 ;而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降，故还存在一些能量损失和二次污染问题 4。而且在使用过程中，如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话
5、，水泵不能进行自动的开、停，这样水泵的开、停，将完全由人操作，这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降 6。 2.2 恒速泵加气压罐供水方式 这种方式是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。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔要低得多。而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。但气压罐供水方式也存在着许多缺点，在介绍完变频调速供水方式后，再将二者作一比较。 2.3 变频调速供水方式 这种系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节
6、水泵转速。使系统水压无论流量如何变化 始终稳定在一定的范围内。变频调速水泵调速控制方式有三种 :水泵出口恒压控制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点恒压控制。 (1) 出口恒压控制 水泵出口恒压控制是将压力传感器安装在水泵出口处，使系统在运行过程中水泵出口水压恒定 7。 这种方式适用于管路的阻力损失在水泵扬程中所占比例较小，整个给水系统的压力可以看作是恒定的，但这种控制方式若在供水面积较大的居住区中应用时，由于管路能耗较大，在低峰用水时，最不利点的流出水头高于设计值，故水泵出口恒压控制方式不能得到最佳的节能效果。 (2) 出口变压控制 水泵出口变 压控制也是将压力传感器安装在水泵出口处，但其压
7、力设定值不只是一个8。是将每日 24 小时按用水曲线分成若干时段，计算出各个时段所需的水泵出口压力，进行全日变压，各时段恒压控制。这种控制方式其实是水泵出口恒压控制的特殊形式。他比水泵出口恒压控制方式能更节能，但这取决于将全天 24 小时分成的时段数及所需水泵出口压力计算的精确程度。所需水泵出口压力计算得越符合实际情况越节能，将全天分得越细越节能，当然控制的实现也越复杂 9。 (3) 最不利点恒压控制 最不利点恒压控制是将压力传感器安装在系统最不利点处，使系统在运 行过程中保持最不利点的压力恒定 10。这种方式的节能效果是最佳的，于最不利点一般距离水泵较远，压力信号的传输在实际应用中受到诸多限
8、制，因此工程中很少采用。 变频调速的方式在节能效果上明显优于气压罐方式。气压罐方式依靠压力罐中的压缩空气送水，气压罐配套水泵运行时，水泵在额定转速、额定流量的条件下工作。当系统所需水量下降时，供水压力将超出系统所需要的压力从而造成能量的浪费。同时水泵是工频率启动，且启动频繁，又会造成一定的能耗。而变频恒压供水在系统用水量下降时可无级调节水泵转速，使供水压力与系统所需水压大致相等 ，这样就节省了许多电能，同时变频器对水泵采用软启动，启动时冲击电流很小，启动能耗比较小。另外气压罐要消耗一定的钢量，这也是它的一个较大的缺点。而变频调速供水系统的变频器是一台由微机控制的电气设备，不存在消耗多少钢材的问
9、题。同时由于气压罐体积大，占地面积一般为几十平米。而变频调速式中的调速装置占地面积仅为几平米。由此可见变频调速供水方式比气压罐供水方式将节省大量占地面积。在运行效果上，气压罐方式与调速式相比也存在着一定差距。气压罐方式的运行不稳定，突出表现在它的频繁启动。由于每个罐的调节能力很小，因此只得依靠 频繁的启动来保证供水，这样将产生较大的噪声，同时由于启动过于频繁，压力不稳，加之硬启动，电气和机械冲击较大，设备损坏很快 11。变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，加之启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击。在小区供水中，而且由于调速式是经水泵加压后直接送往用户的，防止了
10、的水质二次污染，保证了饮用水水质可靠。由此可见，变频调速式供水系统具有节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益 12。 3 结束语 随着经济的发展，多种供水方式日趋成熟。变频调速供水系统 广泛应用于居民区、宾馆 及其它公共建筑的生活用水、锅炉补给水，加压泵站、各类工矿企业的生产用水、消防用水、锅炉恒压补水、输油管道增压、注水系统、农田灌溉等。 变频调速供水系统具有节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。 参考文献 1 陈和平 ,周篁 .我国中
11、长期节能目标及行动方案探讨 J.中国能源 ,1999,(8):6 10. 2 张旭 .泵站工程的发展趋势 J.科技情报开 发与经济 ,2002, 12(4): 210 211. 3 泵及泵站专业委员会 .泵及泵站工程科技进步综述 J.中国水利 ,2004,(10):23 25. 4 Lindell E,Ormsbee,Ormsbee.Optimal Control of Water Supply System.WaterResource Planning and Management Lindell E,Ormsbee.Optimal Control of Water Supply Syste
12、m.WaterResource Planning and ManagementM.ASCE.1994,2. 5 LindellE,Ormsbee. Optimal Control of Water Supply Pumping SystemM. AWWA.1989,1. 6B.Ulanicki,J.P.rance.Computer-aided Optimal Pump Selection for WaterDistribution Network.Water Resource Planning and ManagementM. ASCE.1993,5. 7 左行涛 . 并联水泵变频调速特性分析
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