無負(fù)壓自動(dòng)給水設(shè)備水泵組合可優(yōu)化變頻調(diào)速給水
一種新型給水方案，它既保留了無負(fù)壓自動(dòng)給水設(shè)備變頻調(diào)速恒壓給水方案的優(yōu)點(diǎn)：出水流量連續(xù)可調(diào)、出水壓力恒定、供水品質(zhì)優(yōu)良，又利用水泵組合技術(shù)降低了變頻調(diào)速器的設(shè)計(jì)容量，提高了全系統(tǒng)的性能價(jià)格比。
目前，建筑物無負(fù)壓自動(dòng)給水設(shè)備系統(tǒng)已逐漸放棄水塔、高位水箱、氣壓罐等傳統(tǒng)技術(shù)，而采用電腦控制配合變頻調(diào)速器對(duì)水泵電機(jī)無級(jí)調(diào)速、恒壓給水。這種技術(shù)在穩(wěn)定水壓、減少設(shè)備體積、節(jié)能等方面有很大進(jìn)步，但由于使用了價(jià)格昂貴、技術(shù)復(fù)雜的變頻調(diào)速器，降低了給水系統(tǒng)的性能價(jià)格比。
要解決這一問題，較有效的方法是在基本不降低給水系統(tǒng)性能前提下降低變頻調(diào)速器的選用容量。市場(chǎng)調(diào)查表明，變頻調(diào)速器的容量越大，對(duì)工程造價(jià)的影響越大。因此，在設(shè)計(jì)容量較大的給水系統(tǒng)時(shí)，如何降低變頻調(diào)速器的容量，是提高工程性能價(jià)格比的較有效技術(shù)途徑。
1、二進(jìn)制變流量水泵組合穩(wěn)壓給水方法
在文獻(xiàn)［1］中提出了一種不使用變頻器(或氣壓罐)的自動(dòng)穩(wěn)壓給水方法，即二進(jìn)制變流量水泵組合穩(wěn)壓給水方法，現(xiàn)介紹如下：
該無負(fù)壓自動(dòng)給水設(shè)備系統(tǒng)共有四臺(tái)水泵M0、M1、M2、M3并聯(lián)運(yùn)行，組合給水。各臺(tái)水泵的額定揚(yáng)程相同，額定流量呈二倍遞變，即如M0的額定流量為q，則其他三臺(tái)水泵M1、M2、M3的額定流量分別為2q、4q、8q。
以數(shù)字1表示水泵工作，數(shù)字0表示水泵停止工作。于是M0、M1、M2、M3四臺(tái)水泵的工作狀態(tài)各用一位二進(jìn)制數(shù)a0、a1、a2、a3加以表達(dá)。它們組合在一起時(shí)的工作狀態(tài)用一個(gè)四位的二進(jìn)制數(shù)a3a2a1a0表示。
四位二進(jìn)制數(shù)共有16種變化情況，這些變化狀況不僅代表了當(dāng)時(shí)水泵的組合，而且代表了當(dāng)時(shí)水泵組合所能提供給水系統(tǒng)的出口流量Qt(在計(jì)算每種工況的出口流量時(shí)，近似忽略了由于水泵并聯(lián)運(yùn)行所造成的流量損失)。即這個(gè)數(shù)越大，則出口流量越大；這個(gè)數(shù)越小，出口流量越小。由此找到了根據(jù)用戶用量大小，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的出水流量以保證穩(wěn)壓給水的方法，其工作原理是：電接點(diǎn)壓力表設(shè)定上限壓力H2、下限壓力H1，由H1與H2構(gòu)成了壓力穩(wěn)定區(qū)間。如實(shí)際水壓H偏低，H＜H1時(shí)，可編程控制器按表1所示二進(jìn)制數(shù)a3a2a1a0的遞增規(guī)律切換水泵組合的工作狀態(tài)，增加系統(tǒng)出水流量，水壓上升直到H≥H1，如水壓H偏高，H＞H2時(shí)，可編程控制器按a3a2a1a0遞減規(guī)律切換水泵組合的工作狀態(tài)，減少系統(tǒng)流量，水壓下降直至H＜H2。這樣正常工作時(shí)H1＜H＜H2，供水系統(tǒng)的實(shí)際水壓H就被穩(wěn)定在H2與H1所規(guī)定的范圍之內(nèi)，達(dá)到穩(wěn)定水壓之目的。
利用這種技術(shù)，在穩(wěn)壓精度不高，用水負(fù)荷波動(dòng)不太頻繁情況下，不使用變頻調(diào)速器亦可穩(wěn)壓供水。但當(dāng)穩(wěn)壓精度較高時(shí)，如不使用變頻調(diào)速器，就 須配備較多的水泵(當(dāng)然水泵的數(shù)目比傳統(tǒng)水泵并聯(lián)組合方法大為減少)，對(duì)優(yōu)化工程設(shè)計(jì)與方便施工十分不利。另外，用戶負(fù)荷變化較大時(shí)，不使用變頻調(diào)速器會(huì)造成水泵組合頻繁切換，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓精度大為下降，電機(jī)的不斷啟停使能耗加劇。綜合評(píng)價(jià)較為理想的方案是把變頻恒壓給水技術(shù)與二進(jìn)制變流量水泵組合穩(wěn)壓給水技術(shù)結(jié)合使用。
2、無負(fù)壓自動(dòng)給水設(shè)備水泵組合優(yōu)化變頻調(diào)速恒壓給水方案
該無負(fù)壓自動(dòng)給水設(shè)備系統(tǒng)共有三臺(tái)水泵(虛線所畫水泵不計(jì)入)P0、P1、P2，其中P0與P1的額定流量為q，而P2的額定流量較大為2q，三臺(tái)水泵的額定揚(yáng)程相同。另外只有P0采用變頻器連續(xù)控制轉(zhuǎn)速，而P1與P2直接工頻電源開關(guān)控制。
這樣配備的無負(fù)壓自動(dòng)給水設(shè)備水泵系統(tǒng)與典型的變頻恒壓給水系統(tǒng)相比較，后者一般采用兩臺(tái)大小一致的相同水泵，一臺(tái)變頻調(diào)速控制、一臺(tái)工頻開關(guān)控制，多用了一臺(tái)小水泵。但由于變頻器所控制的水泵流量下降一倍，故所采用變頻器的容量也大致下降一倍。實(shí)現(xiàn)了用容量小的變頻器代替大容量的變頻器，降低了整個(gè)系統(tǒng)的性能價(jià)格比。
對(duì)采用開關(guān)控制的水泵P1與P2，用數(shù)字1表示水泵工作，以數(shù)字0表示水泵停止工作，于是P1與P2的組合工作狀態(tài)用一個(gè)兩位的二進(jìn)制數(shù)a2a1表示(如表2)。P0采用變頻器連續(xù)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，把它與P1P2的組合工作相結(jié)合，則整個(gè)給水系統(tǒng)的流量可以在0≤Qt≤4q的區(qū)間連續(xù)變化(計(jì)Qt時(shí)近似忽略了由于水泵并聯(lián)所造成的流量損失)。表2與表1的不同之處在于：由于變頻調(diào)速水泵P0的加入，可以在0≤Qt≤4q的全流量范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)給水流量，故理論上可以實(shí)現(xiàn)高精度的恒壓控制，而不是表1所描述的在一定范圍內(nèi)的穩(wěn)壓控制。同時(shí)，與傳統(tǒng)的恒壓變頻調(diào)速給水系統(tǒng)相比較，變頻器的設(shè)計(jì)選用容量可減小一半。因此，本方案兼具了二進(jìn)制變流量水泵組合方案和典型變頻調(diào)速恒壓給水方案的優(yōu)點(diǎn)。
若再增加一個(gè)容量為4q的水泵P3(虛線畫出)，依據(jù)相同的工作原理，給水系統(tǒng)的出口流量可以在0＜Qt＜8q范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，同時(shí)水壓基本恒定(見表3)。
通過以上二例可以總結(jié)出，如給水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量為Q，則可以把變頻水泵的容量設(shè)計(jì)成q=Q/2n(n=1、2、3……)。同時(shí)再配備n臺(tái)工頻電源開關(guān)控制的水泵，這n臺(tái)水泵的額定揚(yáng)程相同且與變頻水泵的揚(yáng)程一致，但額定流量設(shè)計(jì)值卻是兩倍遞變，即從小到大為：q、2q、4q……2n-1q。
由這(n+1)臺(tái)水泵(1臺(tái)變頻調(diào)速控制，n臺(tái)工頻開關(guān)控制)構(gòu)成的水泵組合優(yōu)化變頻調(diào)速給水系統(tǒng)，即實(shí)現(xiàn)在全流量變化范圍內(nèi)高質(zhì)量的恒壓給水，又把變頻器的設(shè)計(jì)容量降為q=Q/2n，降低了變頻器的工程預(yù)算價(jià)格，提高了整個(gè)給水系統(tǒng)的性能價(jià)格比。
3、結(jié)論
本文提出了無負(fù)壓自動(dòng)給水設(shè)備水泵組合優(yōu)化變頻調(diào)速給水方案。它既保留了變頻調(diào)速方案的優(yōu)點(diǎn)：全流量范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)高精度的恒壓給水，又利用水泵組合技術(shù)大大降低了變頻器選用容量，提高了系統(tǒng)的性能價(jià)格比。
無負(fù)壓自動(dòng)給水設(shè)備概述
無負(fù)壓自動(dòng)給水設(shè)備直接以市政管網(wǎng)為水源、形成連續(xù)密閉的接力增壓供水方式， 避免了傳統(tǒng)2次增壓供水系統(tǒng)造成的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)降低和各種水源污染問題， 保持了市政水源的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)充分利用市政水源本身壓力熱能，差多少補(bǔ)多少，切實(shí)有效地、較大限度地發(fā)揮了變頻調(diào)速的節(jié)能效果。
無負(fù)壓自動(dòng)給水設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)：
?。?）高效節(jié)能：充分利用市政水源本身具有的壓力熱能，差多少補(bǔ)多少，切實(shí)有效地、較大限度地發(fā)揮了變頻調(diào)速的節(jié)能效果。
?。?）潔凈衛(wèi)生：構(gòu)成連續(xù)密閉的增壓供水方式， 保持了市政水源的國(guó)家水質(zhì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，從根本上避免了增壓系統(tǒng)造成的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)降低和各種水源污染問題。
?。?）無負(fù)壓自動(dòng)給水設(shè)備可以避免浪費(fèi)：不僅淘汰了高位水箱，還 取消了地面（地下）水池水箱， 避免了水箱溢流，定期清洗造成的水源浪費(fèi)。
?。?）運(yùn)行噪聲低：系列產(chǎn)品采用全變頻調(diào)整方案時(shí)，大部分時(shí)間特別在夜間處于低噪聲運(yùn)行工況。
?。?）無負(fù)壓自動(dòng)給水設(shè)備設(shè)計(jì)了全密閉的、兼有緩沖作用和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償作用的水源箱罐，與目前市場(chǎng)所謂無負(fù)壓罐相比，更具有實(shí)際意義，并使控制系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化。
（6）設(shè)備控制系統(tǒng)充分總結(jié)了本公司及國(guó)內(nèi)外變頻給水設(shè)備的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)，采用規(guī)范通用的控制系統(tǒng)技術(shù)方案，可換用任意廠商的變頻器、調(diào)節(jié)器、PLC和其他元器件，調(diào)試維修特別方便，為產(chǎn)品的終身售后服務(wù)奠定了良好基礎(chǔ)，不會(huì)因技術(shù)進(jìn)步而導(dǎo)致售后服務(wù)問題。
?。?）無負(fù)壓自動(dòng)給水設(shè)備控制系統(tǒng)具有較高智能性，設(shè)計(jì)中充分考慮了機(jī)、電、儀協(xié)調(diào)配合，具有欲速則不達(dá)的檢測(cè)監(jiān)視和簡(jiǎn)單方便的人機(jī)交互功能。具有全面的故障保護(hù)功能和對(duì)策，變頻器故障保護(hù)時(shí)，自動(dòng)降級(jí)運(yùn)行（成為工頻自動(dòng)給水設(shè)備），自動(dòng)系統(tǒng)故障時(shí)，還可手動(dòng)操作應(yīng)急備用，贏得維修時(shí)間。
?。?）設(shè)備可按要求選配各種通訊接口、協(xié)議，從而可連接各種人機(jī)界面、監(jiān)控計(jì)算機(jī)，可與各種控制網(wǎng)絡(luò)，通信網(wǎng)絡(luò)相接，適用于特殊、復(fù)雜的運(yùn)行控制和聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控要求。可為用戶開發(fā)配套監(jiān)控軟件。
無負(fù)壓自動(dòng)給水設(shè)備運(yùn)行原理
無負(fù)壓自動(dòng)給水設(shè)備的應(yīng)用，是以市政管網(wǎng)為水源，形成密閉的連續(xù)接力增壓供水方式，其應(yīng)用與通常的經(jīng)水池（水箱）中轉(zhuǎn)二次增壓供水設(shè)備相比大為不同。
為了減小直接抽吸對(duì)市政供水的影響，一般應(yīng)在設(shè)備入口管道上串接一個(gè)承壓貯水容器。主要起緩沖作用（動(dòng)態(tài)補(bǔ)償作用）的水罐稱為緩沖罐；平時(shí)無動(dòng)態(tài)緩沖作用僅在市政管無水壓時(shí)才起備用水源作用的水罐稱為水源罐。大容積的承壓水池也是水源罐的一種形式（一般采用鋼筋混凝土現(xiàn)場(chǎng)施工建造。
配套緩沖罐的接力增壓設(shè)備與配套水源罐的接力增壓設(shè)備運(yùn)行原理有一定差異，下面分別予以說明。
1、配套緩沖罐的設(shè)備
無負(fù)壓自動(dòng)給水設(shè)備說明
成套設(shè)備一般由緩沖罐、水泵機(jī)組、氣壓罐控制柜及控制儀表組成，各部分說明如下：
a、緩沖罐：是接在設(shè)備入口處的氣壓罐，簡(jiǎn)稱緩沖罐，給水運(yùn)行時(shí)罐內(nèi)部分容積為壓縮空氣，靠壓縮空氣的貯能，對(duì)各種突變沖擊具有很好的減緩消除作用，同時(shí)對(duì)市政供水具有一定動(dòng)態(tài)補(bǔ)償作用。
有2種不同結(jié)構(gòu)的緩沖罐，隔膜緩沖罐采用 橡膠隔膜材料，因 全密閉更有利于保持水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，普通鋼制緩沖罐內(nèi)壁涂有符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的防腐涂料，但補(bǔ)氣時(shí)會(huì)與外界空氣接觸。
緩沖罐即可串接使用 ，也可并接使用
b、水泵機(jī)組：選用本公司具有非過載特性的水泵，其工作特性可以適應(yīng)水源的較大范圍內(nèi)的壓力變化，不會(huì)產(chǎn)生過載現(xiàn)象。
c、氣壓罐：其作用與通常2次增壓供水設(shè)備中的氣壓罐相同，本系列標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品采用的隔膜式微型氣壓罐，主要利用其保壓功能，有利于設(shè)備的智能化自動(dòng)節(jié)能控制。
d、變頻控制柜：可采用全變頻控制系統(tǒng)，即所有水泵均采用變頻調(diào)速拖動(dòng)，也可采用部分變頻控制系統(tǒng)（樣本標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品只有1臺(tái)泵為變頻調(diào)速拖動(dòng)）。
e、旁通管路：如果市政供水平時(shí)能夠滿足水壓要求，僅在供水高峰時(shí)壓力不足，可加載旁通管路，可使市政下拉供水與增壓供水實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換運(yùn)行。
（1）當(dāng)市政管網(wǎng)高壓時(shí)，設(shè)備處于停機(jī)狀態(tài)，市政水源過緩沖罐、旁通管路直接向用戶管網(wǎng)供水。
?。?）當(dāng)市政管網(wǎng)欠壓時(shí)，設(shè)備自動(dòng)啟動(dòng)，在原不水壓基礎(chǔ)上變頻調(diào)速增壓（恒壓）供水，由于是按“差多少，補(bǔ)多少”的原則增壓，所以在全流量范圍即滿足了用戶恒壓供水的需求，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能運(yùn)行。運(yùn)行過程中密閉的緩沖罐相當(dāng)一段管路，新鮮衛(wèi)生的自來淼不斷流過水源罐，不會(huì)遭受外界污染。
（3）設(shè)備運(yùn)行中，緩沖罐部分容積為壓縮空氣（其壓力與市政水
壓相同），因而貯存了一定壓力勢(shì)能，靠此貯能可大大減緩各種沖擊對(duì)市政水源的影響，同時(shí)對(duì)市政供水具有動(dòng)態(tài)的削峰補(bǔ)償作用。當(dāng)市政服務(wù)壓力從P2降至P1時(shí)，緩沖罐提供的較大補(bǔ)償水量與緩沖罐總?cè)莘e關(guān)系為：
V＃＝（1-P1/P2） V總＝KV總
V＃－供水高峰市政壓力從P2降至P1期間水源罐給出的補(bǔ)償水量（m3）
P1－市政供水高峰期較低壓力
P2－市政供水高峰期前的壓力
V總－水源罐的總?cè)莘e（m3）
例：供水高峰期，市政水源壓力從20mH2O降至mH2O，則在該期間水源罐給出的補(bǔ)償水量為
V＃＝（1-15/30） V總＝0.5V總（m3），占總?cè)莘e的50％。顯然這是一種切實(shí)有效的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償作用，如果所有用戶的增壓設(shè)備均具有這種補(bǔ)償作用，則總體上對(duì)市政供水可起到一定削峰填谷的效果，高峰期間管網(wǎng)服務(wù)壓力不至于下降得太低。
?。?）緩沖罐上配有控制儀表，當(dāng)市政管網(wǎng)壓力低于設(shè)定下限值時(shí)可自動(dòng)停機(jī)（禁止運(yùn)行），防止過度抽吸市政水源及防止抽水運(yùn)行。
2、配套水源罐的設(shè)備
無負(fù)壓自動(dòng)給水設(shè)備說明
成套設(shè)備一般由自動(dòng)隔離閥（選購件）、水源罐（或承壓水池）、水泵機(jī)組、氣壓罐、變頻控制柜（含控制儀表）組成。各部分說明如下：
a、自動(dòng)隔離閥或節(jié)流裝置（選購件）：用于隔離市政水源，可任意設(shè)定動(dòng)作壓力，當(dāng)市政水源壓力低于該值時(shí)，隔離裝置動(dòng)作，切換到水源罐或承壓水池供水。也可考慮使用廉價(jià)的節(jié)流裝置代替隔離閥，限制較大進(jìn)水流量，供水不足部分靠水源罐補(bǔ)償。
b、水源罐：給水運(yùn)行時(shí)罐內(nèi)全部容積充滿了水，由于無壓縮空氣貯能，對(duì)各種沖擊的緩沖作用和對(duì)市政水源的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果不如緩沖罐。但當(dāng)市政水源壓力太低，水源罐出水（供水）大于進(jìn)水量時(shí)，罐內(nèi)貯水容積可全部用來補(bǔ)償市政水源的不足。
水源罐提供補(bǔ)償水量期間，靠真空抑制器使空氣自動(dòng)進(jìn)入罐體，可避免對(duì)高下管網(wǎng)造成負(fù)壓抽吸作用（即所謂無負(fù)壓無吸程）。
水源罐只能串接在進(jìn)水管路中使用。
c、承壓水池：一般為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，與水源罐工作原理相同，因其容積大，對(duì)市政供水具有很好的削峰填谷作用，適用于全國(guó)各地各種市政水源情況。當(dāng)市政供水管網(wǎng)因故停水期間可由承壓水池提供一定時(shí)間的供水水源，適用于客戶要求高可靠供水的場(chǎng)合。
d、水泵機(jī)組：選用本公司具有非過載特性的水泵，其工作特性可適應(yīng)市政水源的較大范圍內(nèi)的壓力變化，不會(huì)產(chǎn)生過載現(xiàn)象。
e、氣壓罐：其作用與通常2次增壓供水設(shè)備中的氣壓罐相同，標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采用隔膜微型氣壓罐，主要利用其保壓功能，有利于設(shè)備的智能化自動(dòng)節(jié)能控制。
f、變頻控制柜：可選擇采用全變頻技術(shù)方案，即所有水泵均采用變頻拖動(dòng)，也可采用部分變頻技術(shù)方案（只有一臺(tái)泵為變頻調(diào)速拖動(dòng)）。
g、旁通管路：如果市政供水平時(shí)滿足水氣要求，僅在供水高峰時(shí)壓力不足，可加載旁通管路，使市政直接供水與增壓供水自動(dòng)切換運(yùn)行。
無負(fù)壓自動(dòng)給水設(shè)備運(yùn)行說明
?。?）當(dāng)市政管網(wǎng)高壓時(shí)，設(shè)備處于停機(jī)狀態(tài)，市政水源通過水源罐、旁通管路直接向用戶管網(wǎng)供水。
?。?）當(dāng)市政管網(wǎng)欠壓時(shí)，設(shè)備自動(dòng)啟動(dòng)，在原有水壓基礎(chǔ)上變頻調(diào)速增壓（恒壓）供水，由于按“差多少，補(bǔ)多少”原則增壓，所以在全流量范圍即滿足了用戶恒壓供水的需求，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能運(yùn)行。運(yùn)行過程中密閉的海洋法罐只相當(dāng)于一段管路，新鮮衛(wèi)生的自來水不斷流過水源罐（或承壓水池），不會(huì)遭受外界污染。
?。?）當(dāng)市政水源壓力太低，自來水進(jìn)水小于設(shè)備供水（水源罐出水）時(shí)，靠水源罐貯水容積來補(bǔ)償市政水源的不足。水源罐提供的較大補(bǔ)償水量與水源罐總?cè)莘e相同V補(bǔ)＝V總。
水源罐提供補(bǔ)償水量期間，靠真空抑制（自動(dòng)進(jìn)、排氣閥），使空氣自動(dòng)進(jìn)入罐體，可避免對(duì)市政管網(wǎng)造成負(fù) 抽吸作用（即所謂無負(fù)壓無吸程），并可保證水源罐容積全部被有效利用。
（4）為進(jìn)一步減小直接抽吸對(duì)市政水源的影響，可選購一只水源隔離閥及控制儀表，從而可任意設(shè)定允許抽吸的較低壓力，當(dāng)市政水源入口壓力降到允許抽吸的較低壓力時(shí)，水源隔離裝軒會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，設(shè)備將切換到以補(bǔ)償罐為水源自動(dòng)供水。也可考慮選購廉價(jià)的節(jié)流裝置代替隔離閥，限制自來水進(jìn)水流量，供水不足部分靠水源罐補(bǔ)償。
?。?）市政水源因故停水且水源罐貯水也己消耗完，設(shè)備會(huì)自動(dòng)停機(jī)（禁止運(yùn)行）。水源正常后自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。
