近年来V型滤池在自来水厂得到了较为普遍的应用，为使水厂稳定运行，对滤池中的关键设备——滤后水调节阀的工作特性进行了研究。该设备的动作频率非常高，某水厂V型滤池运行不到半年，4台滤后水调节阀的气缸、阀体等构件均出现了不同程度的磨损，通过校正该蝶阀的流量特性曲线等手段，优化了该调节阀的整体性能，降低了阀门的动作频率，从而达到了稳定生产、降低维修成本的目的。
一、滤后水调节阀的工作原理
V型滤池是采用恒水位过滤控制方式运行的，图1显示了恒水位过滤的工作过程。过滤时通过超声波液位计实时监测滤池的水位变化，根据水位的变化控制滤后水调节阀的开度，以达到恒水位控制的目的。该水厂滤池的工作液位为石英砂以上1.20m，液位计显示此液位值为2.40m。当滤池液位上升（>2.40m）或下降时（<2.40 m），通过PID运算使滤后水调节阀开启度增大或减小，使滤床之上的水位保持恒定（稳定在2.40m）。可以看出，滤后水调节阀及阀门定位器是水厂滤池稳定运行的关键设备。滤后水调节阀的这种工作方式，决定了阀门频繁动作的特性，这就要求进一步提高技术水平和延长阀门的使用寿命。
图1 恒水位过滤“液位计—滤后水调节阀”PID调节示意图
二、运行中出现的问题
在实际运行中，对滤后水调节阀的动作频率进行了统计，结果如图2所示。
图2 滤后水调节阀动作频率统计图
在此工况下，滤池液位的恒定效果比较好（±1.8cm）。在15min内阀门动作了85次，动作频率高达5.7次/min，每天动作8160次，动作角行程为1102°，按照这个动作频率计算，该阀门相当于每天全开、全关1057次。实际运行结果证明，这种频繁动作对阀门的损伤是非常大的。水厂运行不到半年，阀门各部分构件均出现了不同程度的磨损，驱动蝶阀的双作用气缸的缸体橡胶密封圈2个多月就出现磨损并开始泄漏，继续运行到3个月时，气缸的动作就变得缓慢，必须更换橡胶圈才能恢复使用；而蝶
阀阀体本身的磨损也较严重，阀门转轴出现严重磨损，长期这样运行将很快损坏。
三、蝶阀流量特性曲线在液位调节中的应用
1、蝶阀使用状态下流量特性曲线的测量
使用的蝶阀公称直径为DN350，为了解阀门在实际使用状态下的流量特性，实地测定了安装后蝶阀的流量特性曲线。采用的方法是：通过定位器将阀门的开启度设定在某一数值（如5%、10%），测定液位从2.60～2.40m下降的时间，通过体积变化计算出该开启度下的流量，然后改变阀门开启度，采用同样的方法测量从5%～100%的流量，绘制成如图3所示的蝶阀在使用状态下的流量特性曲线。
图3 蝶阀流量特性曲线
2、智能型阀门定位器对流量曲线的校正
对于V型滤池来说，采用PID控制方式对蝶阀进行开度调节可以达到恒定液位的目的，而PID控制是典型的线性调节，但从实际所测得的流量特性曲线来看，蝶阀实际工作状态的特性为快开，主要工作范围为10%～50%，在此区段蝶阀的开启度变化40%，流量变化57.2%，这会导致控制系统的超调，即其流量特性的畸变是比较严重的。对于PID调节来说，蝶阀理想的工作特性曲线应该是直线，但目前因为阀门的流量特性畸变，直接影响了系统的控制质量。阀门流量特性的畸变使控制系统的输出变得不可预计，因此有必要对蝶阀的畸变进行校正，而该水厂采用了西门子的智能型电气阀门定位器，具有对阀门流量特性校正的功能。在其功能菜单中，SL0～SL20可以设定数值转折点，每个设定点可以从5%的行程上赋予流量特性值。这些点组成一个多边形，共由20条直线组成，从而导出一个理想的阀门特性曲线。采用这种方法，能够实现对阀门流量特性的畸变进行补偿，如表1所示。
表1 采用智能定位器对蝶阀流量特性的校正（实际测量数据）
续表1
表1的畸变补偿方式，在定位器得到PLC给定的开度信号后，通过储存在智能定位器中的理想状态阀门流量特性曲线数据，转换得到相对应的理想相对流量，再据此算出实际需要的开度行程信号控制蝶阀，这样由PLC给定的阀门相对开度与蝶阀的实际输出流量校正为直线的关系，如图3所示。
3、阀门调节性能的综合优化
采取上述措施后，对PLC编程软件进行了优化，认识到在维持滤池恒水位的基础上降低阀体动作频率是解决问题的最根本方法。对PID调节后的输出增加了一些限制条件：
① 原恒水位稳定带设定为±2cm，为使恒水位过滤达到一定精度，同时又不使出水比例阀频繁动作，将恒水位稳定带调整为±5cm；
② 增大PID调节的死区，当滤池液位在设定液位的±3cm内波动时，不输出阀门动作指令；
③ 当P ID运算后，阀门动作幅度<3°时，不输出阀门动作指令；
④ 调整PID的各项系数，减小比例项常数，增大积分项常数，减小阀门的动作幅度，也降低阀门动作的灵敏度，反复试验调整寻找合适的参数；
⑤ 降低阀门动作指令的输出频率，上述情况下每30s输出一次PID指令；
⑥ 如果水位变化在±5cm以外，每5s输出一次PID指令。
通过采取以上的综合处理与优化措施，大幅减少了滤后水调节阀的动作频率，调整后该阀门每天动作不足1000次，半年多来的使用证明，其故障率大大降低，稳定性能提高很多。
四、结论
综上所述，为减少滤后水调节阀的动作频率，测量了蝶阀在V型滤池使用工况下的流量特性曲线，通过西门子智能型阀门定位器对蝶阀流量特性曲线进行校正，并结合PLC编程软件的优化，将V型滤池滤后水调节阀的动作频率从8000次/d减少至1000次/d以下，水位的变化在±5cm左右，大大降低了设备维护费用，延长了阀门使用寿命，提高了供水稳定性。
