變頻自動給水設(shè)備消除負(fù)壓的常見方法
2013/5/4 9:50:14??????點(diǎn)擊：
變頻自動給水設(shè)備消除負(fù)壓的常見方法
自1998年變頻自動給水設(shè)備面市以來, “無負(fù)壓”的技術(shù)裝置和產(chǎn)品不斷涌現(xiàn),五花八門的專利申請已近百件,。一項(xiàng)看來簡單的應(yīng)用技術(shù),令人有深奧和神秘的感覺。但如果我們不去管那些機(jī)關(guān)巧妙,、各項(xiàng)專利內(nèi)容以及各自的技術(shù)秘密或訣竅,僅對目前已上市的變頻自動給水設(shè)備按照“無負(fù)壓”的工作原理來分類,可歸納為如下幾種消除負(fù)壓方法:
1,、補(bǔ)入空氣法
1.1原理概述
如果在上端進(jìn)水(接管網(wǎng))下端出水(接水泵)的密閉水罐的頂部裝上一個(gè)或一組吸氣閥,則可在水泵抽水流量大于管網(wǎng)進(jìn)水流量而產(chǎn)生真空時(shí)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(fù)壓,使管網(wǎng)流量限定在負(fù)壓抽水的臨界流量以下。這種常用的吸排氣閥的技術(shù)和裝置,顯然屬于成熟和有效的技術(shù),因此“補(bǔ)氣法”成為變頻自動給水設(shè)備絕大多數(shù)產(chǎn)品采用的消除負(fù)壓方法,。在我國較早的該類專利申請中,見于1997年的“機(jī)械式真空補(bǔ)償器”實(shí)際上是一個(gè)浮子式吸氣閥,當(dāng)水位下降時(shí)浮子及閥芯下降接通大氣,；而稱為“電動式真空補(bǔ)償器”的專利申請就是一個(gè)受液位接觸點(diǎn)控制而打開的電磁閥。現(xiàn)在很多產(chǎn)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(gè)“吸排氣閥門”,。簡單的原理和普通的構(gòu)造被說清楚后,使得“變頻自動給水設(shè)備”更容易被人理解和接受,。
1.2 存在的問題
1.2.1“補(bǔ)氣法”是在真空產(chǎn)生時(shí)吸入大氣,自然會有空氣或吸入物污染水質(zhì)的可能。為此,北京市的有關(guān)文件提出“防止局部污染”,“防空氣污染水質(zhì)”的條款,就是針對“補(bǔ)氣法”的這一缺點(diǎn)而言,。市場上也出現(xiàn)了稱為“真空全密閉”的產(chǎn)品,針鋒相對地指向了吸氣閥補(bǔ)氣法的產(chǎn)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(gè)方面的原因,首先是作為機(jī)械結(jié)構(gòu)器件的浮子閥或電磁閥必然存在的動作失靈和機(jī)械壽命問題。特別是當(dāng)管網(wǎng)水壓足夠而水泵容量不大時(shí)根本沒有缺水負(fù)壓產(chǎn)生的條件,面對瞬變流產(chǎn)生的負(fù)壓,動作相對遲緩的機(jī)械閥門也根本不會動作,因此,出現(xiàn)閥門長年不動,該動時(shí)動不了,而形同虛設(shè)的現(xiàn)象,。
另外,諾大的水罐截面面積,使罐中水位下降到達(dá)控制高度時(shí)間較長,在吸氣閥打開前的過渡時(shí)段,負(fù)壓早已形成并可能導(dǎo)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(wǎng)連接的進(jìn)水口處,使得進(jìn)水過程中呈現(xiàn)汽液兩相流的非穩(wěn)定流態(tài)運(yùn)動的水力因素。此時(shí)進(jìn)氣閥能否打開,？能否排氣,、補(bǔ)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(wěn),甚至?xí)斐晒艿澜宇^漏水,管壁疲勞而降低使用壽命或發(fā)生爆管事故,這是管網(wǎng)方面較擔(dān)心的事情。筆者所知因吸氣閥失靈或打不開的故障導(dǎo)致水泵,、電氣故障時(shí)有發(fā)生,甚至有把進(jìn)水罐都吸癟的惡性故障,。
1.2.3負(fù)壓消除檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),、實(shí)驗(yàn)方法和檢驗(yàn)手段過于簡單、含糊,。表現(xiàn)為缺少定量的指標(biāo),，缺少動態(tài)過渡過程的指標(biāo),在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中采用“進(jìn)水流量小于出水流量時(shí)負(fù)壓消除器自動打開”的試驗(yàn)方法,而并不規(guī)定進(jìn)水或出水流量的數(shù)值,則是很容易達(dá)到要求的低標(biāo)準(zhǔn)。譬如,將進(jìn)水閥門關(guān)閉,進(jìn)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(shí)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(xiàn)狀和格局的限定條件下擴(kuò)大直接供水范圍”, “優(yōu)先考慮管網(wǎng)能力和安全的價(jià)值取向”，“維持一部分水池,、水箱的二次加壓供水方式”等觀點(diǎn)﹝注1﹞,不贊成在管網(wǎng)能力不能滿足較大需水流量時(shí)通過儲水罐來“貯水調(diào)峰”,即:管網(wǎng)進(jìn)水流量會小于用戶用水量時(shí)則不準(zhǔn)使用“無負(fù)壓”設(shè)備,。于是,進(jìn)水罐只是為了消除負(fù)壓動作過程中緩沖水量的需要就可以很小了。當(dāng)然為了擴(kuò)大無負(fù)壓產(chǎn)品使用范圍,討好用戶,增加賣點(diǎn),可以增大蓄水罐容積并命名為“穩(wěn)流補(bǔ)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(gè)壓力容器要價(jià)值幾何?再說,一旦蓄水量需要達(dá)到100 m3用來補(bǔ)償進(jìn)水量和用水量之差時(shí),所謂的真空抑制器或是“吸氣閥”就處在長時(shí)間打開的接通大氣的狀態(tài)下,密閉的水罐就是一個(gè)開口水池,。既無管網(wǎng)余裕壓力可疊加利用,也需要考慮蓄水時(shí)間若過長的水質(zhì)變壞問題。如此分析,還是老老實(shí)實(shí)用“水池”的好,。還有,水罐容積的計(jì)算也是有問題的,如公式為:V容積=(Q出-Q進(jìn))△t
Q進(jìn)---用水高峰期的自來水進(jìn)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(xù)時(shí)間
此式中,除Q出一項(xiàng)是設(shè)計(jì)師可依據(jù)規(guī)范計(jì)算出的數(shù)據(jù)以外,而自來水的進(jìn)水量 Q進(jìn)和高峰持續(xù)時(shí)間△t,幾乎是設(shè)計(jì)師無法得到可靠的數(shù)據(jù)的,也很難有相對準(zhǔn)確的估計(jì),，因?yàn)橛绊懝芫W(wǎng)出水量的不確定因素實(shí)在是太多了。
基于“貯水調(diào)峰”的設(shè)計(jì)思想又有了“水箱式無負(fù)壓給水設(shè)備”的出現(xiàn),有的是用切換進(jìn)水端,從水箱或是管網(wǎng)進(jìn)水,有的則是從水箱和管網(wǎng)各自取水的兩套設(shè)備切換運(yùn)行,。這種方式,幾乎喪失了“管網(wǎng)直接給水”的全部優(yōu)點(diǎn),。水池仍需要消毒、清洗,而且為避免水箱死水,不管管網(wǎng)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(jié)能的優(yōu)點(diǎn),要通過投資回收率或投資效益比的評價(jià),算計(jì)一下經(jīng)濟(jì)上是否值得投資“水箱式無負(fù)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(chǎn)生了對“補(bǔ)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(jìn)氣口加裝空氣過濾芯等裝置,防止顆粒物進(jìn)入水罐,當(dāng)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(shí),很難確信它能通暢地進(jìn)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(fù)壓的機(jī)理仍是靠囊外吸入大氣壓力,使在負(fù)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(zhì)問題的疑問；有運(yùn)行中水中氣體在囊中或隔膜下無法排出,只有經(jīng)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(rèn)為膠囊和隔膜在向外受壓的受力狀況下可正常動作,而負(fù)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(dǎo)致未充分利用儲水就停機(jī)”（注2）等等指責(zé),。
1.3.3分倉式罐體。罐體被制造成兩個(gè)倉體,分為水倉和氣倉,罐體在全密閉狀態(tài)下運(yùn)行,當(dāng)水倉中產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)吸氣閥打開,從氣倉補(bǔ)入氣體,做到了不與外界空氣接通,由于廠家的技術(shù)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(zhì)”,、“罐體內(nèi)氣體積存造成水倉逐漸減小”,、“氣體若進(jìn)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(jié)
吸(排)氣閥是輸配水管道的常用設(shè)備,給排水設(shè)計(jì)手冊中寫到,“在管道隆起點(diǎn)和平直段的必，要位置上,應(yīng)裝設(shè)排(進(jìn))氣閥,以便及時(shí)排除管內(nèi)空氣,不使發(fā)生氣阻,以及在放空管道或發(fā)生水錘時(shí)引入空氣,防止管道產(chǎn)生負(fù)壓”,。（注4）吸氣閥方式是具有理論依據(jù)和實(shí)踐證明的成熟的簡單的技術(shù),。就是這樣簡單明瞭的工作原理和罐上裝個(gè)吸氣閥就可行的簡單裝置會演變出穩(wěn)流補(bǔ)償器、真空抑制器,、負(fù)壓消除器,、予壓平衡器、管網(wǎng)鎮(zhèn)流器,、管網(wǎng)保護(hù)神等中國乃至世界的新產(chǎn)品,。使得“無負(fù)壓概念滿天飛,發(fā)明人叫苦不迭”,“利用人們不懂混淆視聽,玷污了無負(fù)壓這個(gè)概念”（注5）。---有人如是說,。
2.預(yù)加壓力法
在一個(gè)上進(jìn)水下出水的橡膠隔膜壓力罐的氣室中預(yù)加一定的壓力,用空氣壓縮機(jī)或氮?dú)馄康仁壕蓪?shí)現(xiàn),。保持自來水的進(jìn)水口有一定的壓力,就限制了取水量,并不會使管道產(chǎn)生負(fù)壓,這項(xiàng)技術(shù)60年代就有用于密閉液體容器上, 近來被個(gè)別廠家采用于變頻自動給水設(shè)備,顯然是可行的技術(shù)。但它的隔膜式罐必然有1.3.2節(jié)所述的各種缺點(diǎn),。
3.緩沖罐補(bǔ)流法
當(dāng)管網(wǎng)能力充裕,而用戶水泵很小之時(shí),根本就沒有缺水性負(fù)壓的生成條件,即不會產(chǎn)生出水流量大于進(jìn)水流量的斷流現(xiàn)象,。此時(shí)水泵可串聯(lián)到管網(wǎng)上直接抽水,但是瞬變流產(chǎn)生的負(fù)壓還是會影響管網(wǎng)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(chǎn)生瞬變流負(fù)壓。為避免此現(xiàn)象造成管網(wǎng)脈動,可以在水泵進(jìn)水管上并聯(lián)一個(gè)空氣罐,罐中積蓄著管網(wǎng)壓力和罐中水位高度的勢能,當(dāng)水泵吸口因瞬變流態(tài)突然產(chǎn)生水柱分離的時(shí)段初,空氣罐向水泵口補(bǔ)給流量,。由于空氣罐的補(bǔ)給作用管中負(fù)壓被控制在水體氣化壓力以上,從而消除了負(fù)壓,破壞了水柱分離及再彌合的產(chǎn)生條件,使水流脈動或水錘壓力上升得到控制,對管道運(yùn)行的安全性及穩(wěn)定性具有重要的作用,。
有的設(shè)備,水泵不使用變頻器調(diào)速而是直接起動和停止的定速運(yùn)轉(zhuǎn)的2-3臺小泵進(jìn)行臺數(shù)切換控制來調(diào)節(jié)流量，每臺泵旁邊立一個(gè)小型空氣罐用于緩沖流量瞬變,，這樣的設(shè)備在日本國多見,。
4、智能控制法
在認(rèn)知了管路負(fù)壓生成機(jī)理的基礎(chǔ)上,使用先進(jìn)的智能化控制設(shè)備和技術(shù),，自動控制水泵工況和水體流態(tài),，從根本上消除負(fù)壓生成條件，則不會產(chǎn)生負(fù)壓而不是產(chǎn)生之后再去消除,。-----這種全新設(shè)計(jì)理念的產(chǎn)品一經(jīng)推出,，就引起了業(yè)內(nèi)的關(guān)注。因?yàn)閺睦碚撋现v,，有三點(diǎn)可以說明它是先進(jìn)的,。其一，產(chǎn)生負(fù)壓再去消除的動態(tài)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(chǎn)生負(fù)壓則用水穩(wěn)定性必然良好。其二,，由電子器件構(gòu)成的控制系統(tǒng)具有高可靠性和半永,，久性壽命期，并有動作準(zhǔn)確，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),。這是任何消除負(fù)壓的機(jī)械裝置所不能匹敵的,，因此對管網(wǎng)有更可靠、更敏捷的保護(hù)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(wǎng),，因此是真正的全密閉。
自動控制的概念,，可以廣義的理解時(shí),，則很簡單的位式控制也被稱為自動控制。例如,，在進(jìn)水罐上裝一塊電接點(diǎn)壓力表,，當(dāng)壓力低于某定值，（例如,，北京規(guī)定為0.2MPa時(shí)停泵）斷電停泵,。或在罐上裝一只電接點(diǎn)真空表,，發(fā)生真空度為某值時(shí)進(jìn)行吸氣閥控制等,。為了和這樣的簡單控制相區(qū)別。本文中使用了“智能控制法”的提法,。為了根本不產(chǎn)生負(fù)壓和完成加壓送水滿足用戶需水要求,，該智能控制應(yīng)是由如下功能模塊構(gòu)成的自控系統(tǒng)：
4．1壓力或流量約束條件控制。
4．1．1在取水管端口監(jiān)測管網(wǎng)壓力值,，當(dāng)它低于規(guī)定下限值（例如0.2MPa）時(shí),，發(fā)出控制指令，停止水泵運(yùn)轉(zhuǎn),。當(dāng)管網(wǎng)能力冗余,，管網(wǎng)壓力很高（例如此京市管網(wǎng)壓力可達(dá)0.5MPa以上）時(shí)，除非管網(wǎng) 事故,，很難因取水超量而產(chǎn)生低于下限的壓力,。很高的管網(wǎng)壓力也可以抑制水泵脈動對管網(wǎng)的沖擊。因此“壓力下限控制”在此樣管網(wǎng)條件下是簡單易行的方法,。由于瞬變流負(fù)壓有可能產(chǎn)生瞬間壓力突降,，這可以使用大阻尼裝置或設(shè)定長阻尼時(shí)間，把瞬變流態(tài)造成的壓力波動濾去,，權(quán)當(dāng)并未發(fā)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(xiàn),。
如果在壓力下限停泵之前有一個(gè)緩沖的空間,，例如，當(dāng)壓力0.22Mpa時(shí)約束水泵不再升速,，使水泵在管網(wǎng)特性曲線的作用下自然地改變工況,。管網(wǎng)常常會自然恢復(fù)壓力。從而減少了突然停泵次數(shù),，這對于管網(wǎng)壓力相對較低,，壓力值在約束條件的臨界點(diǎn)附近飄移時(shí)會有很好的效果。
4.1.2流量約束的控制方法適用于管網(wǎng)壓力較低,，管網(wǎng)能力較弱的條件下,。有的城市管網(wǎng)干管末端壓力僅0.12Mpa～0.15Mpa的較低壓力,例如德州市的管網(wǎng)。但通過水廠控制系統(tǒng)可以恰適的調(diào)度，保持管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定性,。若用較苛刻的壓力約束條件,，幾乎無法推廣使用無負(fù)壓供水設(shè)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(wǎng)在取水口處的壓力是多少，只要不是負(fù)壓哪怕只剩1m或2m水頭也無妨,。這就大大擴(kuò)展了無負(fù)壓供水方式的應(yīng)用范圍,。流量限定條件的原理，計(jì)算方法等問題在（注1）及（注6）文中已有論述,。
流量的監(jiān)測可以使用流量計(jì),。但流量儀表價(jià)格昂貴，維護(hù)麻煩,，一般只會在管網(wǎng)直接加壓的大流量供水的末端加壓站上使用,。一般小區(qū)、樓宇用的無負(fù)壓供水設(shè)備可用壓力儀表檢測壓力,，通過壓力和流量的關(guān)系式作成數(shù)學(xué)模型,，將壓力演算為流量進(jìn)行控制,，這在微機(jī)控制系統(tǒng)中是不難實(shí)現(xiàn)的,，但模型需要的數(shù)據(jù)往往設(shè)計(jì)時(shí)提不出來或計(jì)算不準(zhǔn)確,所以需要現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)測，這樣就加大了現(xiàn)場工事的工作量和時(shí)間,，增加了工程造價(jià),。因此，大多用估算的數(shù)據(jù),，并不追求模型的精度,。所以管網(wǎng)準(zhǔn)用流量指標(biāo)下達(dá)時(shí)應(yīng)留有余地。
4．2瞬變流負(fù)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(shù)增減時(shí)的平滑處理,，流量（壓力）超調(diào)的限制,，調(diào)節(jié)振蕩的防止，控制系統(tǒng)故障產(chǎn)生失控的處理等方法,?？刂频哪康模潜３址呛愣鞯倪B續(xù)性流態(tài),，即使得進(jìn)水流量的和出水流量相等,，不產(chǎn)生出水瞬間流量大于進(jìn)水而拉斷水柱的現(xiàn)象。為了更加保險(xiǎn),，可以在進(jìn)水管路和泵吸水口之間安裝壓力緩沖罐沖防止控制系統(tǒng)失靈或滯后出現(xiàn)瞬變流沖擊管網(wǎng),。
4．3,、出水的恒壓控制
水泵在疊加管網(wǎng)壓力下運(yùn)行，有很多新的問題（注7）出現(xiàn),。其中,，出口壓力受用水流量變化和管網(wǎng)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(tǒng)的PID調(diào)節(jié)及出口壓力恒定方式很難有良好的控制特性和節(jié)電的效益，采用現(xiàn)代控制理論和方法組成結(jié)構(gòu)簡單,，控制穩(wěn)定,，適應(yīng)性好的控制系統(tǒng)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(shè)備的控制功能除“抑制負(fù)壓產(chǎn)生”和“出水恒壓控制”的基本功能之外,，還應(yīng)具有很多實(shí)用性強(qiáng)的附加功能,，如停水停機(jī)后來水時(shí)自動啟動，停電后復(fù)電再啟動,，水泵故障時(shí)備用泵自動投入,，工作泵和備用泵定時(shí)切換以免水泵停機(jī)死水時(shí)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(guān)無火花,，儀表斷線或失效保護(hù),、水泵失速限制等安全保護(hù)性功能以及節(jié)電較大化、水泵低頻運(yùn)轉(zhuǎn)控制等軟件實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化控制功能,。多樣化的控制功能推動了無負(fù)壓供水設(shè)備向無人值守,、免維護(hù)、長壽命,、低噪聲,、節(jié)電較大化、安全供水無事故,、安定用水很舒適的高,，端產(chǎn)品發(fā)展。
- 上一篇：變頻供水工作原理和優(yōu)點(diǎn)分析 2013/5/4
- 下一篇：全自動供水設(shè)備價(jià)格對管道分質(zhì)供水系統(tǒng)的組成及方案設(shè)計(jì)參考 2013/5/4
