解決變頻恒壓供水壓力波動的技術應用

孫美林

(山西省陽泉固莊煤礦,山西 陽泉 045000)

隨著煤礦洗煤工藝的改進,傳統的水泵全頻滿負荷運行并通過水泵出口閥門調節用水量的供水方式已不能滿足連續穩壓供水要求,而采用變頻器+PID調節器的恒壓控制方式在實際運行中,仍存在由于系統壓力波動造成系統超壓或欠壓,本文所述的就是如何通過設施改進和PID調試,保證供水系統的節能、實時、穩定。

1　供水系統簡介及現狀分析

1.1　供水系統簡介

為了滿足洗煤廠不間斷穩壓用水,某礦供水管網投入一套變頻自動恒壓供水設備(見圖1)。系統通過PID調節儀將設定水泵出口壓力信號(0.55 MPa)與實際水泵出口壓力信號進行比較,同時將輸出信號給予變頻器,來實現變頻器控制的水泵電機變頻運行,使水泵出口壓力恒定維持在0.55 MPa±0.01 MPa,保證系統在不受用水量變化的影響下,實現不間斷恒壓供水。

圖1　變頻自動恒壓供水系統圖Fig.1　Frequency-conversion and automatic constant-pressure water supplying system

1.2　現狀分析

在水泵恒壓供水運行過程中,短時間內用水量突減,會造成瞬時水泵出口壓力高出其穩定運行壓力,若壓力值超出水泵、管道及用水設備壓力承受范圍,就會對其造成不可逆轉的破壞。因此為了確保系統安全運行,設定水泵出口壓力超出0.65 MPa后,自動停泵。在某礦恒壓供水系統中,水泵出口壓力頻繁超出0.65 MPa,最高值達到0.70 MPa(時間1 s～2 s),最低值降到0.45 MPa,壓力波動范圍大,波動時間長,運行中多次無規律自動停泵,不能正常供水。

2　供水系統壓力波動原因

變頻自動恒壓供水系統的穩定性和實時性是系統運行的兩項基本要求,實時性指的是隨著用水量的變化,系統能及時自動調整運行頻率保證出口壓力恒定,穩定性指的是隨著用水量的變化,系統壓力不會發生太大的波動,使水泵出口壓力維持在一個固定值范圍。某礦供水系統出現自動停泵,則是系統穩定性差造成系統超壓所致。經過多次認真分析研判,判斷造成水泵出口壓力超出高限壓力值的主要原因是遠傳壓力表反饋回的信號失真、PID調節儀參數調節不合理。

3　實施方案

解決系統超壓停泵的問題,應從設施改進和PID調試兩個方面著手。

3.1　設施改進

3.1.1更換遠傳壓力表為壓力傳感器

某礦原恒壓供水系統選用的是YTZ-150型遠傳壓力表,其傳送的信號是電阻信號,優點是不需進行信號轉換就可直接顯示壓力數據,缺點是傳送信號精度不高,加之水泵出口管路有輕微震動,因此傳到PID顯示調節儀的信號易受到干擾,出現失真現象。

壓力傳感器是把壓力信號轉換為電流信號,一般不直接顯示壓力,可以通過電流信號傳送到PID顯示調節儀上,優點是信號傳送精度高,不易受干擾。

鑒于以上原因,將遠傳壓力表更換為TJP-2型壓力傳感器。測量儀表更換后,系統超壓的頻次有所降低,但自動停泵的時間由無規律轉為用水高峰期。

3.1.2控制回路加入時間繼電器

經觀察PID顯示儀,超壓故障發生到解除,僅有1 s～2 s時間,短時間內超出高限壓力值,造成故障停泵。鑒于超壓時間短,在控制回路加入時間繼電器延時斷開接觸器(見圖2),實現短時間內系統超壓不停泵。

圖2　加入時間繼電器的控制回路圖Fig.2　Control loop diagram with time relay

在改造后的控制回路中,設定時間繼電器延時5 s,即若超壓時間在5 s范圍內,時間繼電器控制的水泵接觸器不會動作,水泵不會停機,若超壓時間超出5 s,則水泵自動停機。

在運行過程中時間繼電器不可能長時間地延緩超壓停機,要想解決實質性系統超壓問題,還需通過PID參數的調整來實現。

3.2　PID調試

在水泵恒壓供水過程中,用水時間、用水量不是特別明確,因此PID就需要采用閉環控制策略,而PID參數的合理確定直接決定了系統運行的穩定性和實時性。PID參數的調整沒有固定的模式,只能通過現場實驗的方式,并遵循先比例(P)、后積分(I)、再微分(D),從小到大的原則進行調試。

3.2.1P值調試

P值調試即比例控制,由于控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系,且僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差。因此P值的調試安排在用水量相對小、動態干擾小的時間段(10:00 pm),盡量減少動態誤差。通過從小到大設定不同的P值,觀察水泵出口壓力變化情況, 如表1所示。

表1　P值調試情況記錄表Table 1　Debugging of P-value

經過調整P值觀察水泵出口壓力,發現增大比例系數P將加快系統的響應,減少波動次數,降低波動時間,實時性加強,但是過大的P值會使系統有比較大的超調,實際運行壓力達到0.75 MPa,嚴重超出設定的目標值0.55 MPa,使系統產生比較大的振蕩,穩定性遭到破壞,導致超壓停泵。減小比例系數P值會使系統壓力波動頻繁,響應時間長,最長達到30 s,不能滿足用水負荷變化壓力及時跟蹤的要求。通過反復調試,初步設定當P值為50%時,水泵出口壓力(0.58 MPa～0.52 MPa)相對于目標值0.55 MPa穩定,是較為理想的參數值,但仍存在靜態誤差,即相對于0.55 MPa有偏差,且壓力波動時間較長,在這種情況下,需加入積分控制。

3.2.2I值調試

I值調試即積分控制,其控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系,即積分項對誤差取決于時間的積分,隨著時間的增加,積分項會增大,誤差會越來越小,直到全部消除。在P值為50%的前提下從小到大設定不同的I值,觀察水泵出口壓力變化情況,如表2所示。

表2　I值調試情況記錄表Table 2　Debugging of I-value

經過調整I值觀察水泵出口壓力,發現增大積分時間I有利于減小系統靜態誤差,使系統的穩定性增加,通過反復調試,初步設定當I值為5 s時,水泵出口壓力(0.56 MPa～0.54 MPa)相對于目標值0.55 MPa穩定,是較為理想的參數值。但是系統壓力波動時間長達30 s,仍未達到穩壓控制實時性的要求,在這種情況下,需加入微分控制。

3.2.3D值調試

D值調試即微分控制,其控制器的輸出與輸入誤差信號的微分(即誤差的變化率)成正比關系,即在克服誤差的調節過程中能預測誤差變化的趨勢,使抑制誤差作用的變化“超前”,避免系統出現振蕩甚至失穩。因此,當用水負荷發生動態變化,必須加入微分控制。在P值為50%、I值為5 s的前提下,選在用水高峰期設定不同的D值,觀察水泵出口壓力變化情況,如表3所示。

表3　D值調試情況記錄表Table 3　Debugging of D-value

經過調整D值,觀察水泵出口壓力,增大微分時間D有利于加快系統的響應速度,使系統超調量減小,穩定性增加,但微分時間過長,會造成系統對擾動的抑制能力減弱。通過反復調試,初步設定當D值為15 s 時,波動時間為3 s,水泵出口壓力(0.56 MPa～0.54 MPa)相對于目標值0.55 MPa穩定,達到了恒壓供水系統穩定性、實時性的要求。

3.2.4PID調試小結

通過多次調試,最終確定P值為50%、I值為5 s、D值為15 s時,水泵出口壓力(0.56 MPa～0.54 MPa)相對于目標值0.55 MPa運行穩定,系統反應快、超調小,是較為理想的參數。既避免了系統超壓停泵,又保證了用戶恒壓正常用水。

在利用PID進行系統調節控制中,P值是解決幅值震蕩的,增大比例系數P將加快系統的響應;I值是消除靜態誤差的,增大積分時間I有利于消除靜態誤差,使系統的穩定性增加;D值是解決動作響應的速度快慢的,增大微分時間D有利于加快系統的響應速度,使系統超調量減小,穩定性增加。

4　結束語

變頻恒壓供水設備,不受用水量變化和用水時間的影響,很好地實現了連續穩壓供水;控制系統配套的測量儀表改用了精準度更高的壓力傳感器,解決了使用遠傳壓力表信號失真的問題;在PID調試過程中,必須遵循調試原則,嚴密觀察壓力變化情況,反復調試,獲取合理的PID參數。