医院恒压供水系统的设计与应用

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  • 来源:汕头大学医学院附属肿瘤医院

传统的医院供水方式为恒速泵加压供水系统。该系统利用继电器接触器电路控制容量不同的水泵配合开停,调整阀门开闭的程度和时间,以满足管网供水压力和用水量的变化。但这种供水控制方式存在许多缺点。(1)水压不够稳定且波动大。当水压低于下限值时,启动加压泵无法满足水压要求,应继续投入另一台水泵,同理,当水压过低时,应逐步投入水泵加压,水压高于上限时,应逐步退出水泵,控制管网水压。这种机械式的投入和退出水泵的控制方式导致水压不够稳定。(2)耗能高,效率低。电机的启动电流是额定电流的5~7倍,频繁启动关停水泵产生的耗能极高,控制效率也不理想,同时,这种控制方式对水泵的机械磨损也很大。因此,采用PID变频调速恒压供水系统是一种比较理想的运行式。在管网安装水流量传感器检测水流量及水压,并以模拟量的形式将监测实况传输给PLC。PLC可通过模拟量转数字量模块,得到当前的管网水压情况,对比目标设定值,展开PID控制,并将PID计算结果通过数模转换传输给变频器,以控制水泵运行速度。若当前水泵仍过低,无法满足调控要求,则让水泵按额定功率运行,并投入多台水泵,根据PID控制结果对此水泵实现变频控制。同理,当水压过高时,逐步减少投入的水泵台数,并对后投入的运行水泵进行变频控制。

与恒速泵加压供水系统相比,PID变频调速恒压供水系统采用PID自动控制原理,反馈管网水压,并能及时调整控制以稳定水压。同时,该系统还运用了变频器启停控制水泵,实现柔性启停,以减少电机直接启停的情况,提高整个水泵控制系统的能效,减少水泵的机械磨损。

本文将根据医院的供水情况、供水要求设计水压控制系统,以稳定管网水压,减少控制系统耗能。供水水泵的选型以流量和扬程为依据。管网的水流量与楼层给水当量、使用人数、用水定额、使用时数及小时变化系数均有关。表1为一次性补水量估算。表2为运行耗水量测算。一般按表2的运行耗水量测算医院的最大管网水流量。

一次性补水量估算

运行耗水量测算

表2中,最大水流量Q的计算公式为:Q=0.001xaxqxhxKJh

式中:a为用水人数;q为用水定量(L/d·人);h为使用时长(h);K。为小时变化系数;Q为最大水流量(m/d)。

由表2可知,医院的管网最大水流量为35.475m/d。而医院最高楼层12层,按每层3.2m计算,最大扬程为38.4m。对管网最大水流量按1.1的裕度计算,管网最大水流量为Q=35.475×1.1=39m/d;对扬程按1.05的裕度计算,最大扬程约为40m。根据该扬程及格兰富CR系列水泵的性能特性,选择格兰富CR20-3水泵作为供水水泵,格兰富CR20-3的性能曲线如图1所示。

格兰富CR20-3水泵性能曲线

根据上述计算及设备维修、维保的便利等相关因素,恒压供水系统最终选用3台格兰富CR20-3水泵(功率5.5kW)作为供水水泵。同时,根据水泵功率选配变频器,最终选配变频器型号为伟创AC10-T3-5R5 G-B变频器,变频器的选型说明如图2所示。

伟创AC10变频器选型图

1 系统电气控制

本恒压供水系统是结合PLC的PID控制功能及变频器的新型恒压供水系统。PLC中的比例、微分、积分参数(即PID参数)可通过三菱PLC自带的极限循环法测得,只需在事先设置的采样时间、设定动作、设定输出上下限、输出目标值等,PLC即可在恒压供水系统自动运行后自整定出合适的PID参数。自整定完成后,在程序中关闭PID自整定,PLC会根据整定好的PID参数及采样水压值输出控制值至变频器,实现水泵的变频控制,PID原理图如图3所示。医院恒压供水系统主控电路图如图4所示。

医院恒压供水系统主控电路图

电气控制系统由三菱PLC(FX3U-32MR)FX3U-4AD模块(模拟量转数字量模块)、FX3U-4DA模块(数字量转模拟量模块)、变频器、接触器、热继电器、水泵等组成。电气控制电气示意图如图5所示。

恒压供水系统电气控制示意图

本恒压供水系统控制原理如下。(1)在管网安装水流量传感器检测水流量及水压,并将监测管网水压实况以模拟量的形式传输给PLC的FX3U-4AD模块。PLC通过模拟量转数字量模块得知当前管网水压情况,在程序中对比目标设定值,实施PID控制,并将PID计算结果通过数模转换(FX3U-4DA模块)传输给变频器,控制水泵的运行速度[12-14]。(2)若变频器控制的的水泵达到频率上限(60Hz)时管压仍过低(无法满足调控要求),则让水泵按额定功率运行,并投入多台水泵,使PLC通过PID控制变频器,对新投入的水泵进行变频控制。同理,当水压过高时,逐步减少投入的水泵台数,并对后投入的运行水泵进行变频控制。恒压供水系统控制流程图如图6所示。

恒压供水系统控制流程图

2 应用效果

在医院每天上午10:00管网水压波动最大时采样,图7为管网末端1个月的水压监测图。由图7可知,采用恒压供水系统后,医院水管压力稳定且满足要求。

6月管网末端水压监测柱状图

本文设计了一种PID变频调速恒压供水系统,以实现医院管网水压的恒压控制,即在管网安装水流量传感器检测水流量及水压,将监测实况以模拟量的形式传输给PLC,PLC通过模拟量转数字量模块,得到当前的管网水压情况,对比目标设定值,实施PID控制,通过投入或退出水泵,并通过对最后投入的水泵转速进行变频调节,实现管网水压的恒压控制。与恒速泵加压供水系统相比,PID变频调速恒压供水系统采用了PID自动控制原理反馈管网水压,并能及时调整控制以稳定水压。虽然该设计实现了预期的控制要求,但由于时间及能力水平的限制,仍存在不少需要改进和完善的地方,如未考虑设置备用泵。当管网水流量最大时,需要3台水泵均投入使用,一旦其中1台水泵出现故障,会导致管网水压无法达到要求水压。此外,增加备用泵有助于恒压系统带负荷运行时单独退出某台水泵进行检修,因此,后期需考虑增设备用泵。