變頻自動給水設備消除負壓的常見方法
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變頻自動給水設備消除負壓的常見方法
自1998年變頻自動給水設備面市以來, “無負壓”的技術裝置和產品不斷涌現,五花八門的專利申請已近百件。一項看來簡單的應用技術,令人有深奧和神秘的感覺。但如果我們不去管那些機關巧妙、各項專利內容以及各自的技術秘密或訣竅,僅對目前已上市的變頻自動給水設備按照“無負壓”的工作原理來分類,可歸納為如下幾種消除負壓方法:
1、補入空氣法
1.1原理概述
如果在上端進水(接管網)下端出水(接水泵)的密閉水罐的頂部裝上一個或一組吸氣閥,則可在水泵抽水流量大于管網進水流量而產生真空時打開吸氣閥吸入大氣,使密閉水罐成為在大氣壓力下的開口容器,因此消除了負壓,使管網流量限定在負壓抽水的臨界流量以下。這種常用的吸排氣閥的技術和裝置,顯然屬于成熟和有效的技術,因此“補氣法”成為變頻自動給水設備絕大多數產品采用的消除負壓方法。在我國較早的該類專利申請中,見于1997年的“機械式真空補償器”實際上是一個浮子式吸氣閥,當水位下降時浮子及閥芯下降接通大氣；而稱為“電動式真空補償器”的專利申請就是一個受液位接觸點控制而打開的電磁閥。現在很多產品也不在遮遮掩掩地作什么“保密”處理,而是公開在罐頂裝上一個“吸排氣閥門”。簡單的原理和普通的構造被說清楚后,使得“變頻自動給水設備”更容易被人理解和接受。
1.2 存在的問題
1.2.1“補氣法”是在真空產生時吸入大氣,自然會有空氣或吸入物污染水質的可能。為此,北京市的有關文件提出“防止局部污染”,“防空氣污染水質”的條款,就是針對“補氣法”的這一缺點而言。市場上也出現了稱為“真空全密閉”的產品,針鋒相對地指向了吸氣閥補氣法的產品。
1.2.2 筆者曾撰文對吸排氣閥動作可靠性問題提出疑義﹝見注1文﹞是出自兩個方面的原因,首先是作為機械結構器件的浮子閥或電磁閥必然存在的動作失靈和機械壽命問題。特別是當管網水壓足夠而水泵容量不大時根本沒有缺水負壓產生的條件,面對瞬變流產生的負壓,動作相對遲緩的機械閥門也根本不會動作,因此,出現閥門長年不動,該動時動不了,而形同虛設的現象。
另外,諾大的水罐截面面積,使罐中水位下降到達控制高度時間較長,在吸氣閥打開前的過渡時段,負壓早已形成并可能導致水體汽化,析出氣泡,聚成氣穴、氣囊,充塞在水罐頂部,恰在管網連接的進水口處,使得進水過程中呈現汽液兩相流的非穩定流態運動的水力因素。此時進氣閥能否打開？能否排氣、補氣?都是較難把握的。如若不能順暢的排氣、吸氣則會有管道水阻增大、壓力增高或壓力振蕩不穩,甚至會造成管道接頭漏水,管壁疲勞而降低使用壽命或發生爆管事故,這是管網方面較擔心的事情。筆者所知因吸氣閥失靈或打不開的故障導致水泵、電氣故障時有發生,甚至有把進水罐都吸癟的惡性故障。
1.2.3負壓消除檢驗標準、實驗方法和檢驗手段過于簡單、含糊。表現為缺少定量的指標，缺少動態過渡過程的指標,在產品標準中采用“進水流量小于出水流量時負壓消除器自動打開”的試驗方法,而并不規定進水或出水流量的數值,則是很容易達到要求的低標準。譬如,將進水閥門關閉,進水量必然小于出水量,吸氣閥是很容易打開的,但這并不能代表正常工況流量時的狀況。
1.2.4儲水罐容積難以選定。筆者曾在文章中提出過“在基本不改變供水現狀和格局的限定條件下擴大直接供水范圍”, “優先考慮管網能力和安全的價值取向”，“維持一部分水池、水箱的二次加壓供水方式”等觀點﹝注1﹞,不贊成在管網能力不能滿足較大需水流量時通過儲水罐來“貯水調峰”,即:管網進水流量會小于用戶用水量時則不準使用“無負壓”設備。于是,進水罐只是為了消除負壓動作過程中緩沖水量的需要就可以很小了。當然為了擴大無負壓產品使用范圍,討好用戶,增加賣點,可以增大蓄水罐容積并命名為“穩流補償器”,甚至可以把它作成100m3之大。切不說如此龐然大物加工、安裝、打壓、試水都存在工藝上的很多問題,只問購買如此巨大的一個壓力容器要價值幾何?再說,一旦蓄水量需要達到100 m3用來補償進水量和用水量之差時,所謂的真空抑制器或是“吸氣閥”就處在長時間打開的接通大氣的狀態下,密閉的水罐就是一個開口水池。既無管網余裕壓力可疊加利用,也需要考慮蓄水時間若過長的水質變壞問題。如此分析,還是老老實實用“水池”的好。還有,水罐容積的計算也是有問題的,如公式為:V容積=(Q出-Q進)△t
Q進---用水高峰期的自來水進水量(m3/h)
Q出---用水高峰期的顧客用水量(m3/h)
△ t---用水高峰的持續時間
此式中,除Q出一項是設計師可依據規范計算出的數據以外,而自來水的進水量 Q進和高峰持續時間△t,幾乎是設計師無法得到可靠的數據的,也很難有相對準確的估計，因為影響管網出水量的不確定因素實在是太多了。
基于“貯水調峰”的設計思想又有了“水箱式無負壓給水設備”的出現,有的是用切換進水端,從水箱或是管網進水,有的則是從水箱和管網各自取水的兩套設備切換運行。這種方式,幾乎喪失了“管網直接給水”的全部優點。水池仍需要消毒、清洗,而且為避免水箱死水,不管管網壓力能否保證直供水,水池每天都需要清空一次,憑添了許多麻煩。至于可以疊壓節能的優點,要通過投資回收率或投資效益比的評價,算計一下經濟上是否值得投資“水箱式無負壓”。
1.3“吸氣污染”的對策
真空下吸入空氣,而且吸氣口就是排水口,也有吸入小蟲等污物之嫌，由此產生了對“補氣法”的非議和拒絕。于是就有了如下幾種對策。
1.3.1加“過濾器”。在進氣口加裝空氣過濾芯等裝置,防止顆粒物進入水罐,當然是防治污染的有效辦法。但不知過濾器的阻力損失是多少時,很難確信它能通暢地進氣或排氣。
1.3.2橡膠囊或隔膜式罐體。由此形成氣水分離,水體不會接觸空氣而稱之為全密閉形式,消除負壓的機理仍是靠囊外吸入大氣壓力,使在負壓下吸凹的膠囊膨脹。對于這種方式有“膠囊壽命”,“橡膠老化后是否有析出物”等材質問題的疑問；有運行中水中氣體在囊中或隔膜下無法排出,只有經過水泵排出,因而會造成水泵氣蝕而影響水泵的使用壽命的問題,還有人認為膠囊和隔膜在向外受壓的受力狀況下可正常動作,而負壓吸力下則難以保證動作可靠。以及“存在吸癟膠囊的吸力,導致未充分利用儲水就停機”（注2）等等指責。
1.3.3分倉式罐體。罐體被制造成兩個倉體,分為水倉和氣倉,罐體在全密閉狀態下運行,當水倉中產生負壓時吸氣閥打開,從氣倉補入氣體,做到了不與外界空氣接通,由于廠家的技術保密,筆者對其性能不夠了解,只是見到“氣倉氣體是否存有害物質”、“罐體內氣體積存造成水倉逐漸減小”、“氣體若進入水泵從而影響水泵性能,并且對水泵流道及葉輪造成一定損害”等不同見解。（注3）
1.4小結
吸(排)氣閥是輸配水管道的常用設備,給排水設計手冊中寫到,“在管道隆起點和平直段的必，要位置上,應裝設排(進)氣閥,以便及時排除管內空氣,不使發生氣阻,以及在放空管道或發生水錘時引入空氣,防止管道產生負壓”。（注4）吸氣閥方式是具有理論依據和實踐證明的成熟的簡單的技術。就是這樣簡單明瞭的工作原理和罐上裝個吸氣閥就可行的簡單裝置會演變出穩流補償器、真空抑制器、負壓消除器、予壓平衡器、管網鎮流器、管網保護神等中國乃至世界的新產品。使得“無負壓概念滿天飛,發明人叫苦不迭”,“利用人們不懂混淆視聽,玷污了無負壓這個概念”（注5）。---有人如是說。
2.預加壓力法
在一個上進水下出水的橡膠隔膜壓力罐的氣室中預加一定的壓力,用空氣壓縮機或氮氣瓶等施壓均可實現。保持自來水的進水口有一定的壓力,就限制了取水量,并不會使管道產生負壓,這項技術60年代就有用于密閉液體容器上, 近來被個別廠家采用于變頻自動給水設備,顯然是可行的技術。但它的隔膜式罐必然有1.3.2節所述的各種缺點。
3.緩沖罐補流法
當管網能力充裕,而用戶水泵很小之時,根本就沒有缺水性負壓的生成條件,即不會產生出水流量大于進水流量的斷流現象。此時水泵可串聯到管網上直接抽水,但是瞬變流產生的負壓還是會影響管網安全（注1）,在水泵起動,停泵,振蕩,失控,出水管斷裂等很多情況下都會產生瞬變流負壓。為避免此現象造成管網脈動,可以在水泵進水管上并聯一個空氣罐,罐中積蓄著管網壓力和罐中水位高度的勢能,當水泵吸口因瞬變流態突然產生水柱分離的時段初,空氣罐向水泵口補給流量。由于空氣罐的補給作用管中負壓被控制在水體氣化壓力以上,從而消除了負壓,破壞了水柱分離及再彌合的產生條件,使水流脈動或水錘壓力上升得到控制,對管道運行的安全性及穩定性具有重要的作用。
有的設備,水泵不使用變頻器調速而是直接起動和停止的定速運轉的2-3臺小泵進行臺數切換控制來調節流量，每臺泵旁邊立一個小型空氣罐用于緩沖流量瞬變，這樣的設備在日本國多見。
4、智能控制法
在認知了管路負壓生成機理的基礎上,使用先進的智能化控制設備和技術，自動控制水泵工況和水體流態，從根本上消除負壓生成條件，則不會產生負壓而不是產生之后再去消除。-----這種全新設計理念的產品一經推出，就引起了業內的關注。因為從理論上講，有三點可以說明它是先進的。其一，產生負壓再去消除的動態過程仍然是流量突變的振蕩過程，造成用水安全性和快適性的不良，而根本不會產生負壓則用水穩定性必然良好。其二，由電子器件構成的控制系統具有高可靠性和半永，久性壽命期，并有動作準確，響應速度快等優點。這是任何消除負壓的機械裝置所不能匹敵的，因此對管網有更可靠、更敏捷的保護作用。其三，不需要吸氣排水的過程，不需要貯水水罐，水泵可直接管網，因此是真正的全密閉。
自動控制的概念，可以廣義的理解時，則很簡單的位式控制也被稱為自動控制。例如，在進水罐上裝一塊電接點壓力表，當壓力低于某定值，（例如，北京規定為0.2MPa時停泵）斷電停泵。或在罐上裝一只電接點真空表，發生真空度為某值時進行吸氣閥控制等。為了和這樣的簡單控制相區別。本文中使用了“智能控制法”的提法。為了根本不產生負壓和完成加壓送水滿足用戶需水要求，該智能控制應是由如下功能模塊構成的自控系統：
4．1壓力或流量約束條件控制。
4．1．1在取水管端口監測管網壓力值，當它低于規定下限值（例如0.2MPa）時，發出控制指令，停止水泵運轉。當管網能力冗余，管網壓力很高（例如此京市管網壓力可達0.5MPa以上）時，除非管網 事故，很難因取水超量而產生低于下限的壓力。很高的管網壓力也可以抑制水泵脈動對管網的沖擊。因此“壓力下限控制”在此樣管網條件下是簡單易行的方法。由于瞬變流負壓有可能產生瞬間壓力突降，這可以使用大阻尼裝置或設定長阻尼時間，把瞬變流態造成的壓力波動濾去，權當并未發生此事件。否則有可能造成突然停泵、多次停泵等影響正常用水的問題出現。
如果在壓力下限停泵之前有一個緩沖的空間，例如，當壓力0.22Mpa時約束水泵不再升速，使水泵在管網特性曲線的作用下自然地改變工況。管網常常會自然恢復壓力。從而減少了突然停泵次數，這對于管網壓力相對較低，壓力值在約束條件的臨界點附近飄移時會有很好的效果。
4.1.2流量約束的控制方法適用于管網壓力較低，管網能力較弱的條件下。有的城市管網干管末端壓力僅0.12Mpa～0.15Mpa的較低壓力,例如德州市的管網。但通過水廠控制系統可以恰適的調度，保持管網壓力的穩定性。若用較苛刻的壓力約束條件，幾乎無法推廣使用無負壓供水設備。而流量約束控制用以限定用戶的取水流量，只要用戶不超此允許的流量用水，則可不管管網在取水口處的壓力是多少，只要不是負壓哪怕只剩1m或2m水頭也無妨。這就大大擴展了無負壓供水方式的應用范圍。流量限定條件的原理，計算方法等問題在（注1）及（注6）文中已有論述。
流量的監測可以使用流量計。但流量儀表價格昂貴，維護麻煩，一般只會在管網直接加壓的大流量供水的末端加壓站上使用。一般小區、樓宇用的無負壓供水設備可用壓力儀表檢測壓力，通過壓力和流量的關系式作成數學模型，將壓力演算為流量進行控制，這在微機控制系統中是不難實現的，但模型需要的數據往往設計時提不出來或計算不準確,所以需要現場運行實測，這樣就加大了現場工事的工作量和時間，增加了工程造價。因此，大多用估算的數據，并不追求模型的精度。所以管網準用流量指標下達時應留有余地。
4．2瞬變流負壓的抑制
抑制瞬變流即避免流量的突變，有水泵的軟啟動，軟停止，臺數增減時的平滑處理，流量（壓力）超調的限制，調節振蕩的防止，控制系統故障產生失控的處理等方法。控制的目的，是保持非恒定流的連續性流態，即使得進水流量的和出水流量相等，不產生出水瞬間流量大于進水而拉斷水柱的現象。為了更加保險，可以在進水管路和泵吸水口之間安裝壓力緩沖罐沖防止控制系統失靈或滯后出現瞬變流沖擊管網。
4．3、出水的恒壓控制
水泵在疊加管網壓力下運行，有很多新的問題（注7）出現。其中，出口壓力受用水流量變化和管網壓力變動的雙向擾動，以及疊壓后水泵流量范圍變大，特性曲線變化等問題都使得出水恒壓控制變的困難。傳統的PID調節及出口壓力恒定方式很難有良好的控制特性和節電的效益，采用現代控制理論和方法組成結構簡單，控制穩定，適應性好的控制系統是大有文章可作的。
4．4多樣化的控制功能
變頻自動給水設備的控制功能除“抑制負壓產生”和“出水恒壓控制”的基本功能之外，還應具有很多實用性強的附加功能，如停水停機后來水時自動啟動，停電后復電再啟動，水泵故障時備用泵自動投入，工作泵和備用泵定時切換以免水泵停機死水時間過長等人性化的事故自處理和自啟動的功能。還有電氣開關無火花，儀表斷線或失效保護、水泵失速限制等安全保護性功能以及節電較大化、水泵低頻運轉控制等軟件實現的優化控制功能。多樣化的控制功能推動了無負壓供水設備向無人值守、免維護、長壽命、低噪聲、節電較大化、安全供水無事故、安定用水很舒適的高，端產品發展。
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