管網(wǎng)直聯(lián)無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐巍

（南京輕紡產(chǎn)業(yè)（集團(tuán)）有限公司，江蘇 南京 210018）

0 引言

通常，城鎮(zhèn)市政管網(wǎng)供水壓力都是以滿足普通多層建筑要求來(lái)設(shè)定水廠供水壓力的。當(dāng)今城市建筑高度快速增長(zhǎng)，多數(shù)建筑都必須采用二次加壓供水方式滿足供水需求。

我國(guó)城市二次增壓供水方式經(jīng)歷了“蓄水池、加壓泵、水塔”、“蓄水池、加壓泵、高位水箱”、“蓄水池、加壓泵、氣壓罐”和“蓄水池或蓄水箱、變頻調(diào)速加壓機(jī)組”等四個(gè)發(fā)展階段。目前南京“蓄水池、加壓泵、水塔”供水方式基本絕跡，其他三種二次加壓供水方式都有使用，現(xiàn)采用較多的是“蓄水池或蓄水箱、變頻調(diào)速加壓機(jī)組”供水方式，而直接式管網(wǎng)疊壓供水方式則剛剛起步。

在管網(wǎng)上直接水泵加壓，以往一直是供水系統(tǒng)的禁區(qū)。其主要原因是:在供水能力不足以滿足高峰用水量時(shí)，需要分散的貯水池可起到調(diào)峰的作用;水泵直抽會(huì)在進(jìn)水口產(chǎn)生負(fù)壓（或稱真空現(xiàn)象），出現(xiàn)個(gè)體超量取水，使管網(wǎng)壓力陡降，波及相鄰用戶的正常用水。

如果能從技術(shù)上解決這兩個(gè)問(wèn)題，管網(wǎng)直接水泵加壓供水方式則是可行的。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，近年來(lái)城市供水系統(tǒng)通過(guò)水源工程、水廠建設(shè)、管網(wǎng)更新改造等項(xiàng)目，大大提高了供水能力，已可以滿足高峰用水量的需求，無(wú)需再依賴用戶的貯水池調(diào)峰。在供水能力已具備直接串連泵加壓的基礎(chǔ)條件下，還需要通過(guò)技術(shù)和設(shè)備的改進(jìn)，消除管路中負(fù)壓的產(chǎn)生條件，使其根本就不產(chǎn)生負(fù)壓。

依照這一思路，應(yīng)用智能化控制和變頻調(diào)速等高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)負(fù)壓的控制目標(biāo)就不難做到。這樣，管網(wǎng)中合格的自來(lái)水可以在全密閉的管路中直接送到用戶的水龍頭，水體不暴露、不儲(chǔ)留，從根本上消除了二次污染。同時(shí)，管網(wǎng)的壓力可與水泵水頭疊加利用（即管網(wǎng)有多少壓力都能利用），從而大幅度降低了水泵功耗，節(jié)省了電能（50%-70%），降低了加壓成本，使用戶得到了經(jīng)濟(jì)上的實(shí)惠。

管網(wǎng)直聯(lián)無(wú)負(fù)壓供水方式是在傳統(tǒng)變頻恒壓供水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型供水方式，它不是水泵、管件閥門、罐體和控制柜的簡(jiǎn)單組合，而是集機(jī)械、電子、信息、自控技術(shù)為一體的高科技產(chǎn)品。隨著二次增壓供水概念和無(wú)負(fù)壓技術(shù)研究的深入，目前已進(jìn)入“管網(wǎng)直聯(lián)無(wú)負(fù)壓供水方式”的新時(shí)期。

1 傳統(tǒng)供水方式和無(wú)負(fù)壓供水的比較

a）傳統(tǒng)的變頻恒壓供水方式的原理是先將原有壓力的自來(lái)水放到低位水箱中，變成零壓力的靜水，再由成套變頻調(diào)速泵組從零壓力加壓至各個(gè)用水網(wǎng)點(diǎn)。這種供水方式雖然能滿足用水壓力的穩(wěn)定性和可靠性，但存在以下不足:

1）浪費(fèi)能源。自來(lái)水原有的壓力不能充分利用，二次加壓系統(tǒng)又從零開(kāi)始加壓，造成了能源的浪費(fèi)。

2）運(yùn)行費(fèi)用高。由于加壓泵從水箱中抽吸的是無(wú)壓水，與加壓泵直接從自來(lái)水管網(wǎng)吸水相比，加壓泵的選型增大，運(yùn)行能耗和運(yùn)行費(fèi)用提高。

3）一次性投資大。傳統(tǒng)的供水方式都設(shè)有容積較大的地下蓄水池或蓄水箱，不僅需要大量的土建投資，而且由于加壓泵的選型增大，設(shè)備的購(gòu)置和安裝費(fèi)用增加。

4）占地面積大。修建蓄水池或蓄水箱都需占用土地或建筑物面積。

5）修建蓄水池施工難度大，工程量大，施工周期長(zhǎng)，需投入大量的人力和物力。水池最容易出現(xiàn)滲漏，而一旦出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，往往難以修復(fù)，后期維護(hù)困難。

6）水質(zhì)清潔難以保證。由于低位水箱的材質(zhì)問(wèn)題、以及水流會(huì)產(chǎn)生死角，這些都容易滋生藻類;且低位水箱屬敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)，與空氣相通，容易造成二次污染，需定期清洗消毒。

b）無(wú)負(fù)壓供水（又叫管網(wǎng)疊壓供水）設(shè)備串接在自來(lái)水管網(wǎng)與用戶管網(wǎng)之間，通過(guò)真空消除器破壞負(fù)壓形成，保證水泵運(yùn)轉(zhuǎn)抽水過(guò)程中不對(duì)自來(lái)水管網(wǎng)產(chǎn)生吸力。

無(wú)負(fù)壓供水與傳統(tǒng)供水相比具備以下優(yōu)點(diǎn):

1）節(jié)約能源。無(wú)負(fù)壓供水設(shè)備與自來(lái)水管網(wǎng)直接串接，在自來(lái)水管網(wǎng)剩余壓力的基礎(chǔ)上疊加不夠部分的壓力，能充分利用自來(lái)水管網(wǎng)余壓，不造成能源的浪費(fèi)。

2）設(shè)備運(yùn)行成本低。由于加壓泵的選型小，且采用多泵制，在用水低谷期，一臺(tái)泵已足夠滿足用戶用水水壓與流量的要求，用水高峰時(shí)才會(huì)啟動(dòng)其他泵，因此降低了運(yùn)行成本。與傳統(tǒng)給水設(shè)備比，節(jié)能達(dá)50%;不需定期清洗消毒，不浪費(fèi)水資源和人力資源，節(jié)約了維護(hù)費(fèi)用。

3）節(jié)省投資。由于無(wú)需修建大型蓄水池或蓄水箱，節(jié)省了土建投資;又由于利用了自來(lái)水給水管網(wǎng)的余壓，因此加壓泵的選型較傳統(tǒng)的給水方式小，減少了設(shè)備投資。

4）占地面積小。因?yàn)槭∪チ诵钏鼗蛐钏?，因而縮小了占地面積。

5）管理方便、簡(jiǎn)單。無(wú)負(fù)壓供水設(shè)備為數(shù)字控制全自動(dòng)運(yùn)行，停電停水時(shí)自動(dòng)停機(jī)，來(lái)電來(lái)水時(shí)自動(dòng)開(kāi)機(jī)，便于管理。

6）環(huán)保衛(wèi)生、無(wú)二次污染。無(wú)負(fù)壓供水設(shè)備的運(yùn)行全密封，可防止灰塵等異物進(jìn)入給水系統(tǒng);負(fù)壓消除器的ZP膜濾裝置可將空氣中的細(xì)菌擋住，穩(wěn)壓平衡器采用食品級(jí)不銹鋼制作，不會(huì)滋生藻類，滿足人們對(duì)水質(zhì)高標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2 無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)工作原理

節(jié)能減排是當(dāng)今世界熱門趨勢(shì)，無(wú)負(fù)壓供水設(shè)備充分利用自來(lái)水管網(wǎng)的原有壓力能源，在同樣供水需求的情況下，可以選用功率相對(duì)較小的水泵及控制設(shè)備，相比較于傳統(tǒng)的帶水池的供水設(shè)備可節(jié)約大量的電能運(yùn)行成本及投資成本。

由于直接在自來(lái)水原有壓力上加壓，所以自來(lái)水壓力與設(shè)備耗能緊密聯(lián)系。自來(lái)水壓力越低，耗能越多;自來(lái)水壓力越高，耗能越少;自來(lái)水壓力達(dá)到用戶需求時(shí)，設(shè)備停止無(wú)耗能（此種情況很少出現(xiàn)，只有在用水量很少的夜間，用戶水量少，由無(wú)負(fù)壓配套氣壓罐貯存的水短時(shí)調(diào)節(jié)）。

市政管網(wǎng)壓力通常在2.5 kg左右，能夠滿足1-5層住宅需求，再往上就要通過(guò)泵加壓才可滿足。所以設(shè)計(jì)中，在當(dāng)?shù)刈詠?lái)水供水壓力范圍內(nèi)的低層用戶都由自來(lái)水市政管網(wǎng)直供;自來(lái)水市政管網(wǎng)壓力供不上的用戶通過(guò)無(wú)負(fù)壓增壓供水，無(wú)負(fù)壓出口的氣壓罐只能調(diào)節(jié)少量水量，如果實(shí)際用水量不太大，為避免主泵頻繁啟動(dòng)，夜間小流量時(shí)可配置穩(wěn)壓泵，確保用水安全。

自來(lái)水市政管網(wǎng)短時(shí)不能滿足用水量需求，由無(wú)負(fù)壓穩(wěn)流調(diào)節(jié)罐內(nèi)的貯水補(bǔ)給;市政管網(wǎng)長(zhǎng)時(shí)間不能滿足用水量需求，無(wú)負(fù)壓穩(wěn)流補(bǔ)償器的貯水用盡后，設(shè)備自動(dòng)保護(hù)停止，有水后自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。

無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)主要由穩(wěn)流調(diào)節(jié)器、負(fù)壓抑制器、水泵、控制系統(tǒng)（變頻器、可編程控制器、壓力變送器等）和管件閥門等組成（圖1）。

圖1 無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)示意圖

設(shè)備直接串接到市政管網(wǎng)上直接增壓，調(diào)節(jié)罐的真空消除是關(guān)鍵，依靠罐上真空消除器在罐內(nèi)水被抽空時(shí)及時(shí)消除罐內(nèi)真空，從而達(dá)到罐內(nèi)外壓力平穩(wěn)，由此不對(duì)市政管網(wǎng)造成負(fù)壓影響，不影響其他市政管道用戶的正常用水。

在市政管網(wǎng)與水泵吸入口之間的穩(wěn)流調(diào)節(jié)器為密閉容器，此特制容器使自來(lái)水與空氣完全隔絕，從而保證了供水品質(zhì);穩(wěn)流調(diào)節(jié)器主要實(shí)現(xiàn)整個(gè)供水系統(tǒng)增壓穩(wěn)流功能，同時(shí)聯(lián)動(dòng)負(fù)壓抑制器同時(shí)工作，保證整個(gè)系統(tǒng)安全運(yùn)行。

無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)工作原理（圖2）

圖2 系統(tǒng)工作原理圖

智能控制系統(tǒng)核心是可編程控制器，以及程序軟件的編制及設(shè)計(jì)。管網(wǎng)直聯(lián)無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)采用先進(jìn)的可編程控制器，根據(jù)采集的穩(wěn)流調(diào)節(jié)器內(nèi)控制信號(hào)，一方面微電腦程序控制水泵，保證設(shè)備運(yùn)行中不產(chǎn)生流量突變，使連續(xù)性流態(tài)不被破壞;另一方面通過(guò)微電腦控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)聯(lián)合控制穩(wěn)流調(diào)節(jié)器和負(fù)壓抑制器動(dòng)作執(zhí)行部件自動(dòng)調(diào)節(jié)，使穩(wěn)流調(diào)節(jié)器內(nèi)壓力平衡，抑制管網(wǎng)內(nèi)負(fù)壓的產(chǎn)生。

無(wú)負(fù)壓供水基本原理是通過(guò)安裝在系統(tǒng)中的壓力檢測(cè)裝置將管網(wǎng)壓力信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較，再通過(guò)控制器調(diào)節(jié)變頻器輸出，實(shí)施水泵的無(wú)極調(diào)速和調(diào)節(jié)水泵的運(yùn)行數(shù)量，使系統(tǒng)水壓在水流量變化時(shí)，仍穩(wěn)定在設(shè)定的范圍內(nèi)。

3 無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)

a）系統(tǒng)主電路圖

主電路如圖3所示。接觸器KM1～KM3分別控制水泵電動(dòng)機(jī)M1～M3的工頻運(yùn)行，接觸器KM4～KM6分別控制M1～M3的變頻運(yùn)行，KH1～KH3分別為M1～M3的過(guò)載保護(hù)用的熱繼電器。

圖3 系統(tǒng)主電路圖

在變頻運(yùn)行方式中，三相電源經(jīng)隔離開(kāi)關(guān)接至變頻器的R、S、T端，變頻器的輸出端U、V、W通過(guò)接觸器的觸點(diǎn)接至電動(dòng)機(jī)，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的變頻和工頻兩個(gè)回路不允許同時(shí)接通。當(dāng)電動(dòng)機(jī)接通工頻回路時(shí)，變頻回路接觸器的觸點(diǎn)必須先行斷開(kāi)。同樣從工頻轉(zhuǎn)為變頻時(shí)，也必須先將工頻接觸器斷開(kāi)，才允許接通變頻器輸出端接觸器，所以KM1和KM4，KM2和KM5，KM3和KM6絕對(duì)不能同時(shí)動(dòng)作，相互之間必須可靠互鎖。

b）PLC接線圖

PLC是無(wú)負(fù)壓變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對(duì)系統(tǒng)中所有輸入信號(hào)的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以及對(duì)外的數(shù)據(jù)交換，它控制著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。在選擇PLC時(shí)，要考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴(kuò)展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。由于無(wú)負(fù)壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對(duì)較少，因此PLC系統(tǒng)選用了德國(guó)SIEMENS公司的S7-200型主控模塊CPU224和模擬量模塊EM235。PLC的I/O接線圖如圖4、圖5所示。

系統(tǒng)采用循環(huán)變頻運(yùn)行方式，即3臺(tái)水泵中只有1臺(tái)水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行，其余水泵在工頻恒速運(yùn)行（或不運(yùn)行），如果變頻泵連續(xù)運(yùn)行超過(guò)設(shè)定時(shí)間（3 h），則要切換下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)水泵工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。因此在同一時(shí)間內(nèi)只有1臺(tái)水泵工作在變頻下，但不同時(shí)間段內(nèi)3臺(tái)水泵都可輪流做變頻泵?？紤]節(jié)能和水泵壽命的因素，各水泵切換遵循先啟動(dòng)先停止、先停止先啟動(dòng)原則。

壓力傳感器的信號(hào)送入模擬量擴(kuò)展模塊，經(jīng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，送至PLC

c）控制線路圖

系統(tǒng)對(duì)水泵操作設(shè)置了手動(dòng)/自動(dòng)控制功能、報(bào)警功能，并能顯示運(yùn)行狀況。手動(dòng)控制通常只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用。系統(tǒng)控制電路圖如圖6所示。

圖中SA1為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。在手動(dòng)狀態(tài)，可以按鈕SB1-SB6控制三臺(tái)水泵的起停。在自動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)在PLC程序控制下運(yùn)行。

d）變頻器的選擇

變頻器是系統(tǒng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件，通過(guò)頻率的改變實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而改變出水量。系統(tǒng)選用ABB-ACS510變頻器，通過(guò)PLC模擬量模塊EM235輸出端子來(lái)控制變頻器的頻率，從而達(dá)到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨壓力給定，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，使水量連續(xù)變化，保證管網(wǎng)水壓的恒定。

傳感器檢測(cè)水壓，壓力設(shè)定為系統(tǒng)的水壓期望值。壓力

圖6 系統(tǒng)控制電路圖

設(shè)定值和壓力反饋值送變頻器的PID回路，經(jīng)PID運(yùn)算后輸出給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào)。

e）TD400文本顯示器

供水壓力及市政管網(wǎng)進(jìn)水狀態(tài)等參數(shù)需實(shí)時(shí)顯示或設(shè)定，采用一臺(tái)西門子TD400文本顯示器作為人機(jī)界面。該顯示器用輸入鍵可方便地對(duì)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和修改，并提供密碼保護(hù)功能。通過(guò)對(duì)TD400進(jìn)行編程組態(tài)，可方便地進(jìn)行壓力上下限設(shè)定;動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前管網(wǎng)壓力、水泵運(yùn)行狀態(tài)及報(bào)警提示信息，便于工作人員監(jiān)測(cè)。

f）系統(tǒng)自動(dòng)控制工作流程

無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)自動(dòng)控制工作流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)自動(dòng)控制工作流程圖

當(dāng)啟動(dòng)設(shè)備使其在自動(dòng)控制狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，PLC自動(dòng)開(kāi)機(jī)自檢，在確定電壓正常、進(jìn)水壓力正常、無(wú)各報(bào)警信號(hào)后，首先啟動(dòng)水泵Ml進(jìn)行變頻工作，根據(jù)壓力傳感器測(cè)得的用戶管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的偏差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制變頻泵的轉(zhuǎn)速，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間水泵Ml工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)，壓力傳感器反饋的水壓信號(hào)減小，偏差變大，PLC的輸出信號(hào)變大，變頻器的輸出頻率變大，所以水泵的轉(zhuǎn)速增大，供水量增大，最終水泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。反之，當(dāng)用水量減少水壓增加時(shí)，通過(guò)壓力閉環(huán)，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。

當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率50 Hz時(shí)，若此時(shí)用戶管網(wǎng)的實(shí)際壓力還未達(dá)到設(shè)定壓力，且持續(xù)5 min以上（以便消除水壓波動(dòng)的干擾），則水泵Ml由變頻轉(zhuǎn)工頻，啟動(dòng)下一臺(tái)水泵M2變頻運(yùn)行，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，滿足增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另一臺(tái)工頻泵M3投入運(yùn)行，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率50 Hz時(shí)，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出水壓超限報(bào)警。

當(dāng)用水量下降水壓升高時(shí)，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網(wǎng)的實(shí)際水壓仍高于設(shè)定壓力值，且持續(xù)5 min以上，這時(shí)停止先啟動(dòng)的工頻水泵，保證先啟動(dòng)先停止，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換。

當(dāng)沒(méi)有進(jìn)水時(shí)即進(jìn)水壓力為零時(shí)，設(shè)備自動(dòng)停機(jī)，以保護(hù)水泵及電動(dòng)機(jī)。

當(dāng)出現(xiàn)用戶用水量增大或爆管現(xiàn)象時(shí)即水泵全部啟動(dòng)且時(shí)間超過(guò)設(shè)定的要求還是達(dá)不到設(shè)定的壓力時(shí)，自行報(bào)警。

當(dāng)斷電后，再來(lái)電時(shí)，PLC通電自檢后，啟動(dòng)設(shè)備按停止前的設(shè)定壓力進(jìn)行恒壓供水。

4 結(jié)語(yǔ)

選用可編程序控制器（PLC）為主控器，變頻器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，利用真空消除技術(shù)，完成了基于PID的管網(wǎng)直聯(lián)無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力的準(zhǔn)確采集，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速和多臺(tái)水泵的投入和退出，使系統(tǒng)主干管出口端的壓力基本保持在設(shè)定范圍內(nèi)。其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)啟動(dòng)平穩(wěn)，運(yùn)行成本低，節(jié)能環(huán)保，管理方便，易于維護(hù)，延長(zhǎng)了泵和閥門等設(shè)備的使用壽命。該無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)投入運(yùn)行后，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足了用戶對(duì)供水品質(zhì)和供水系統(tǒng)的可靠性要求。

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