無負壓自動給水設備水泵組合可優化變頻調速給水
無負壓自動給水設備水泵組合可優化變頻調速給水
一種新型給水方案，它既保留了無負壓自動給水設備變頻調速恒壓給水方案的優點：出水流量連續可調、出水壓力恒定、供水品質優良，又利用水泵組合技術降低了變頻調速器的設計容量，提高了全系統的性能價格比。
目前，建筑物無負壓自動給水設備系統已逐漸放棄水塔、高位水箱、氣壓罐等傳統技術，而采用電腦控制配合變頻調速器對水泵電機無級調速、恒壓給水。這種技術在穩定水壓、減少設備體積、節能等方面有很大進步，但由于使用了價格昂貴、技術復雜的變頻調速器，降低了給水系統的性能價格比。
要解決這一問題，較有效的方法是在基本不降低給水系統性能前提下降低變頻調速器的選用容量。市場調查表明，變頻調速器的容量越大，對工程造價的影響越大。因此，在設計容量較大的給水系統時，如何降低變頻調速器的容量，是提高工程性能價格比的較有效技術途徑。
1、二進制變流量水泵組合穩壓給水方法
在文獻［1］中提出了一種不使用變頻器(或氣壓罐)的自動穩壓給水方法，即二進制變流量水泵組合穩壓給水方法，現介紹如下：
該無負壓自動給水設備系統共有四臺水泵M0、M1、M2、M3并聯運行，組合給水。各臺水泵的額定揚程相同，額定流量呈二倍遞變，即如M0的額定流量為q，則其他三臺水泵M1、M2、M3的額定流量分別為2q、4q、8q。
以數字1表示水泵工作，數字0表示水泵停止工作。于是M0、M1、M2、M3四臺水泵的工作狀態各用一位二進制數a0、a1、a2、a3加以表達。它們組合在一起時的工作狀態用一個四位的二進制數a3a2a1a0表示。
四位二進制數共有16種變化情況，這些變化狀況不僅代表了當時水泵的組合，而且代表了當時水泵組合所能提供給水系統的出口流量Qt(在計算每種工況的出口流量時，近似忽略了由于水泵并聯運行所造成的流量損失)。即這個數越大，則出口流量越大；這個數越小，出口流量越小。由此找到了根據用戶用量大小，調節系統的出水流量以保證穩壓給水的方法，其工作原理是：電接點壓力表設定上限壓力H2、下限壓力H1，由H1與H2構成了壓力穩定區間。如實際水壓H偏低，H＜H1時，可編程控制器按表1所示二進制數a3a2a1a0的遞增規律切換水泵組合的工作狀態，增加系統出水流量，水壓上升直到H≥H1，如水壓H偏高，H＞H2時，可編程控制器按a3a2a1a0遞減規律切換水泵組合的工作狀態，減少系統流量，水壓下降直至H＜H2。這樣正常工作時H1＜H＜H2，供水系統的實際水壓H就被穩定在H2與H1所規定的范圍之內，達到穩定水壓之目的。
利用這種技術，在穩壓精度不高，用水負荷波動不太頻繁情況下，不使用變頻調速器亦可穩壓供水。但當穩壓精度較高時，如不使用變頻調速器，就 須配備較多的水泵(當然水泵的數目比傳統水泵并聯組合方法大為減少)，對優化工程設計與方便施工十分不利。另外，用戶負荷變化較大時，不使用變頻調速器會造成水泵組合頻繁切換，使系統的動態穩壓精度大為下降，電機的不斷啟停使能耗加劇。綜合評價較為理想的方案是把變頻恒壓給水技術與二進制變流量水泵組合穩壓給水技術結合使用。
2、無負壓自動給水設備水泵組合優化變頻調速恒壓給水方案
該無負壓自動給水設備系統共有三臺水泵(虛線所畫水泵不計入)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，三臺水泵的額定揚程相同。另外只有P0采用變頻器連續控制轉速，而P1與P2直接工頻電源開關控制。
這樣配備的無負壓自動給水設備水泵系統與典型的變頻恒壓給水系統相比較，后者一般采用兩臺大小一致的相同水泵，一臺變頻調速控制、一臺工頻開關控制，多用了一臺小水泵。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。實現了用容量小的變頻器代替大容量的變頻器，降低了整個系統的性能價格比。
對采用開關控制的水泵P1與P2，用數字1表示水泵工作，以數字0表示水泵停止工作，于是P1與P2的組合工作狀態用一個兩位的二進制數a2a1表示(如表2)。P0采用變頻器連續調節電機轉速，把它與P1P2的組合工作相結合，則整個給水系統的流量可以在0≤Qt≤4q的區間連續變化(計Qt時近似忽略了由于水泵并聯所造成的流量損失)。表2與表1的不同之處在于：由于變頻調速水泵P0的加入，可以在0≤Qt≤4q的全流量范圍內連續調節給水流量，故理論上可以實現高精度的恒壓控制，而不是表1所描述的在一定范圍內的穩壓控制。同時，與傳統的恒壓變頻調速給水系統相比較，變頻器的設計選用容量可減小一半。因此，本方案兼具了二進制變流量水泵組合方案和典型變頻調速恒壓給水方案的優點。
若再增加一個容量為4q的水泵P3(虛線畫出)，依據相同的工作原理，給水系統的出口流量可以在0＜Qt＜8q范圍內連續調節，同時水壓基本恒定(見表3)。
通過以上二例可以總結出，如給水系統的設計流量為Q，則可以把變頻水泵的容量設計成q=Q/2n(n=1、2、3……)。同時再配備n臺工頻電源開關控制的水泵，這n臺水泵的額定揚程相同且與變頻水泵的揚程一致，但額定流量設計值卻是兩倍遞變，即從小到大為：q、2q、4q……2n-1q。
由這(n+1)臺水泵(1臺變頻調速控制，n臺工頻開關控制)構成的水泵組合優化變頻調速給水系統，即實現在全流量變化范圍內高質量的恒壓給水，又把變頻器的設計容量降為q=Q/2n，降低了變頻器的工程預算價格，提高了整個給水系統的性能價格比。
3、結論
本文提出了無負壓自動給水設備水泵組合優化變頻調速給水方案。它既保留了變頻調速方案的優點：全流量范圍內可以實現高精度的恒壓給水，又利用水泵組合技術大大降低了變頻器選用容量，提高了系統的性能價格比。
無負壓自動給水設備概述
無負壓自動給水設備直接以市政管網為水源、形成連續密閉的接力增壓供水方式， 避免了傳統2次增壓供水系統造成的水質標準降低和各種水源污染問題， 保持了市政水源的水質標準充分利用市政水源本身壓力熱能，差多少補多少，切實有效地、較大限度地發揮了變頻調速的節能效果。
無負壓自動給水設備的優點：
?。?）高效節能：充分利用市政水源本身具有的壓力熱能，差多少補多少，切實有效地、較大限度地發揮了變頻調速的節能效果。
?。?）潔凈衛生：構成連續密閉的增壓供水方式， 保持了市政水源的國家水質衛生標準，從根本上避免了增壓系統造成的水質標準降低和各種水源污染問題。
（3）無負壓自動給水設備可以避免浪費：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。
?。?）運行噪聲低：系列產品采用全變頻調整方案時，大部分時間特別在夜間處于低噪聲運行工況。
?。?）無負壓自動給水設備設計了全密閉的、兼有緩沖作用和動態補償作用的水源箱罐，與目前市場所謂無負壓罐相比，更具有實際意義，并使控制系統得以簡化。
（6）設備控制系統充分總結了本公司及國內外變頻給水設備的設計制造經驗，采用規范通用的控制系統技術方案，可換用任意廠商的變頻器、調節器、PLC和其他元器件，調試維修特別方便，為產品的終身售后服務奠定了良好基礎，不會因技術進步而導致售后服務問題。
（7）無負壓自動給水設備控制系統具有較高智能性，設計中充分考慮了機、電、儀協調配合，具有欲速則不達的檢測監視和簡單方便的人機交互功能。具有全面的故障保護功能和對策，變頻器故障保護時，自動降級運行（成為工頻自動給水設備），自動系統故障時，還可手動操作應急備用，贏得維修時間。
（8）設備可按要求選配各種通訊接口、協議，從而可連接各種人機界面、監控計算機，可與各種控制網絡，通信網絡相接，適用于特殊、復雜的運行控制和聯網監控要求。可為用戶開發配套監控軟件。
無負壓自動給水設備運行原理
無負壓自動給水設備的應用，是以市政管網為水源，形成密閉的連續接力增壓供水方式，其應用與通常的經水池（水箱）中轉二次增壓供水設備相比大為不同。
為了減小直接抽吸對市政供水的影響，一般應在設備入口管道上串接一個承壓貯水容器。主要起緩沖作用（動態補償作用）的水罐稱為緩沖罐；平時無動態緩沖作用僅在市政管無水壓時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場施工建造。
配套緩沖罐的接力增壓設備與配套水源罐的接力增壓設備運行原理有一定差異，下面分別予以說明。
1、配套緩沖罐的設備
無負壓自動給水設備說明
成套設備一般由緩沖罐、水泵機組、氣壓罐控制柜及控制儀表組成，各部分說明如下：
a、緩沖罐：是接在設備入口處的氣壓罐，簡稱緩沖罐，給水運行時罐內部分容積為壓縮空氣，靠壓縮空氣的貯能，對各種突變沖擊具有很好的減緩消除作用，同時對市政供水具有一定動態補償作用。
有2種不同結構的緩沖罐，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標準，普通鋼制緩沖罐內壁涂有符合衛生標準的防腐涂料，但補氣時會與外界空氣接觸。
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水源的較大范圍內的壓力變化，不會產生過載現象。
c、氣壓罐：其作用與通常2次增壓供水設備中的氣壓罐相同，本系列標準產品采用的隔膜式微型氣壓罐，主要利用其保壓功能，有利于設備的智能化自動節能控制。
d、變頻控制柜：可采用全變頻控制系統，即所有水泵均采用變頻調速拖動，也可采用部分變頻控制系統（樣本標準產品只有1臺泵為變頻調速拖動）。
e、旁通管路：如果市政供水平時能夠滿足水壓要求，僅在供水高峰時壓力不足，可加載旁通管路，可使市政下拉供水與增壓供水實現自動切換運行。
（1）當市政管網高壓時，設備處于停機狀態，市政水源過緩沖罐、旁通管路直接向用戶管網供水。
?。?）當市政管網欠壓時，設備自動啟動，在原不水壓基礎上變頻調速增壓（恒壓）供水，由于是按“差多少，補多少”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，同時又實現了高效節能運行。運行過程中密閉的緩沖罐相當一段管路，新鮮衛生的自來淼不斷流過水源罐，不會遭受外界污染。
（3）設備運行中，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能，靠此貯能可大大減緩各種沖擊對市政水源的影響，同時對市政供水具有動態的削峰補償作用。當市政服務壓力從P2降至P1時，緩沖罐提供的較大補償水量與緩沖罐總容積關系為：
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－水源罐的總容積（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償水量為
V＃＝（1-15/30） V總＝0.5V總（m3），占總容積的50％。顯然這是一種切實有效的動態補償作用，如果所有用戶的增壓設備均具有這種補償作用，則總體上對市政供水可起到一定削峰填谷的效果，高峰期間管網服務壓力不至于下降得太低。
（4）緩沖罐上配有控制儀表，當市政管網壓力低于設定下限值時可自動停機（禁止運行），防止過度抽吸市政水源及防止抽水運行。
2、配套水源罐的設備
無負壓自動給水設備說明
成套設備一般由自動隔離閥（選購件）、水源罐（或承壓水池）、水泵機組、氣壓罐、變頻控制柜（含控制儀表）組成。各部分說明如下：
a、自動隔離閥或節流裝置（選購件）：用于隔離市政水源，可任意設定動作壓力，當市政水源壓力低于該值時，隔離裝置動作，切換到水源罐或承壓水池供水。也可考慮使用廉價的節流裝置代替隔離閥，限制較大進水流量，供水不足部分靠水源罐補償。
b、水源罐：給水運行時罐內全部容積充滿了水，由于無壓縮空氣貯能，對各種沖擊的緩沖作用和對市政水源的動態補償效果不如緩沖罐。但當市政水源壓力太低，水源罐出水（供水）大于進水量時，罐內貯水容積可全部用來補償市政水源的不足。
水源罐提供補償水量期間，靠真空抑制器使空氣自動進入罐體，可避免對高下管網造成負壓抽吸作用（即所謂無負壓無吸程）。
水源罐只能串接在進水管路中使用。
c、承壓水池：一般為鋼筋混凝土結構，與水源罐工作原理相同，因其容積大，對市政供水具有很好的削峰填谷作用，適用于全國各地各種市政水源情況。當市政供水管網因故停水期間可由承壓水池提供一定時間的供水水源，適用于客戶要求高可靠供水的場合。
d、水泵機組：選用本公司具有非過載特性的水泵，其工作特性可適應市政水源的較大范圍內的壓力變化，不會產生過載現象。
e、氣壓罐：其作用與通常2次增壓供水設備中的氣壓罐相同，標準產品設計中采用隔膜微型氣壓罐，主要利用其保壓功能，有利于設備的智能化自動節能控制。
f、變頻控制柜：可選擇采用全變頻技術方案，即所有水泵均采用變頻拖動，也可采用部分變頻技術方案（只有一臺泵為變頻調速拖動）。
g、旁通管路：如果市政供水平時滿足水氣要求，僅在供水高峰時壓力不足，可加載旁通管路，使市政直接供水與增壓供水自動切換運行。
無負壓自動給水設備運行說明
（1）當市政管網高壓時，設備處于停機狀態，市政水源通過水源罐、旁通管路直接向用戶管網供水。
?。?）當市政管網欠壓時，設備自動啟動，在原有水壓基礎上變頻調速增壓（恒壓）供水，由于按“差多少，補多少”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，同時又實現了高效節能運行。運行過程中密閉的海洋法罐只相當于一段管路，新鮮衛生的自來水不斷流過水源罐（或承壓水池），不會遭受外界污染。
?。?）當市政水源壓力太低，自來水進水小于設備供水（水源罐出水）時，靠水源罐貯水容積來補償市政水源的不足。水源罐提供的較大補償水量與水源罐總容積相同V補＝V總。
水源罐提供補償水量期間，靠真空抑制（自動進、排氣閥），使空氣自動進入罐體，可避免對市政管網造成負 抽吸作用（即所謂無負壓無吸程），并可保證水源罐容積全部被有效利用。
?。?）為進一步減小直接抽吸對市政水源的影響，可選購一只水源隔離閥及控制儀表，從而可任意設定允許抽吸的較低壓力，當市政水源入口壓力降到允許抽吸的較低壓力時，水源隔離裝軒會自動啟動，設備將切換到以補償罐為水源自動供水。也可考慮選購廉價的節流裝置代替隔離閥，限制自來水進水流量，供水不足部分靠水源罐補償。
?。?）市政水源因故停水且水源罐貯水也己消耗完，設備會自動停機（禁止運行）。水源正常后自動恢復運行。
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