變頻自動(dòng)給水設備消除負壓的常見(jiàn)方法
2013-5-4 9:50:14??????點(diǎn)擊：
變頻自動(dòng)給水設備消除負壓的常見(jiàn)方法
自1998年變頻自動(dòng)給水設備面市以來(lái), “無(wú)負壓”的技術(shù)裝置和產(chǎn)品不斷涌現,五花八門(mén)的專(zhuān)利申請已近百件。一項看來(lái)簡(jiǎn)單的應用技術(shù),令人有深奧和神秘的感覺(jué)。但如果我們不去管那些機關(guān)巧妙、各項專(zhuān)利內容以及各自的技術(shù)秘密或訣竅,僅對目前已上市的變頻自動(dòng)給水設備按照“無(wú)負壓”的工作原理來(lái)分類(lèi),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(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(kāi)吸氣閥吸入大氣,使密閉水罐成為在大氣壓力下的開(kāi)口容器,因此消除了負壓,使管網(wǎng)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(shù)和裝置,顯然屬于成熟和有效的技術(shù),因此“補氣法”成為變頻自動(dòng)給水設備絕大多數產(chǎn)品采用的消除負壓方法。在我國較早的該類(lèi)專(zhuān)利申請中,見(jiàn)于1997年的“機械式真空補償器”實(shí)際上是一個(gè)浮子式吸氣閥,當水位下降時(shí)浮子及閥芯下降接通大氣；而稱(chēng)為“電動(dòng)式真空補償器”的專(zhuān)利申請就是一個(gè)受液位接觸點(diǎn)控制而打開(kāi)的電磁閥?，F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(kāi)在罐頂裝上一個(gè)“吸排氣閥門(mén)”。簡(jiǎn)單的原理和普通的構造被說(shuō)清楚后,使得“變頻自動(dòng)給水設備”更容易被人理解和接受。
1.2 存在的問(wèn)題
1.2.1“補氣法”是在真空產(chǎn)生時(shí)吸入大氣,自然會(huì )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“補氣法”的這一缺點(diǎn)而言。市場(chǎng)上也出現了稱(chēng)為“真空全密閉”的產(chǎn)品,針?shù)h相對地指向了吸氣閥補氣法的產(chǎn)品。
1.2.2 筆者曾撰文對吸排氣閥動(dòng)作可靠性問(wèn)題提出疑義﹝見(jiàn)注1文﹞是出自?xún)蓚€(gè)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(dòng)作失靈和機械壽命問(wèn)題。特別是當管網(wǎng)水壓足夠而水泵容量不大時(shí)根本沒(méi)有缺水負壓產(chǎn)生的條件,面對瞬變流產(chǎn)生的負壓,動(dòng)作相對遲緩的機械閥門(mén)也根本不會(huì )動(dòng)作,因此,出現閥門(mén)長(cháng)年不動(dòng),該動(dòng)時(shí)動(dòng)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(shí)間較長(cháng),在吸氣閥打開(kāi)前的過(guò)渡時(shí)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(wǎng)連接的進(jìn)水口處,使得進(jìn)水過(guò)程中呈現汽液兩相流的非穩定流態(tài)運動(dòng)的水力因素。此時(shí)進(jìn)氣閥能否打開(kāi)？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(huì )有管道水阻增大、壓力增高或壓力振蕩不穩,甚至會(huì )造成管道接頭漏水,管壁疲勞而降低使用壽命或發(fā)生爆管事故,這是管網(wǎng)方面較擔心的事情。筆者所知因吸氣閥失靈或打不開(kāi)的故障導致水泵、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負壓消除檢驗標準、實(shí)驗方法和檢驗手段過(guò)于簡(jiǎn)單、含糊。表現為缺少定量的指標，缺少動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程的指標,在產(chǎn)品標準中采用“進(jìn)水流量小于出水流量時(shí)負壓消除器自動(dòng)打開(kāi)”的試驗方法,而并不規定進(jìn)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(jìn)水閥門(mén)關(guān)閉,進(jìn)水量必然小于出水量,吸氣閥是很容易打開(kāi)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(guò)“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(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(guān)點(diǎn)﹝注1﹞,不贊成在管網(wǎng)能力不能滿(mǎn)足較大需水流量時(shí)通過(guò)儲水罐來(lái)“貯水調峰”,即:管網(wǎng)進(jìn)水流量會(huì )小于用戶(hù)用水量時(shí)則不準使用“無(wú)負壓”設備。于是,進(jìn)水罐只是為了消除負壓動(dòng)作過(guò)程中緩沖水量的需要就可以很小了。當然為了擴大無(wú)負壓產(chǎn)品使用范圍,討好用戶(hù),增加賣(mài)點(diǎn),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(shuō)如此龐然大物加工、安裝、打壓、試水都存在工藝上的很多問(wèn)題,只問(wèn)購買(mǎi)如此巨大的一個(gè)壓力容器要價(jià)值幾何?再說(shuō),一旦蓄水量需要達到100 m3用來(lái)補償進(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(cháng)時(shí)間打開(kāi)的接通大氣的狀態(tài)下,密閉的水罐就是一個(gè)開(kāi)口水池。既無(wú)管網(wǎng)余裕壓力可疊加利用,也需要考慮蓄水時(shí)間若過(guò)長(cháng)的水質(zhì)變壞問(wèn)題。如此分析,還是老老實(shí)實(shí)用“水池”的好。還有,水罐容積的計算也是有問(wèn)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(lái)水進(jìn)水量(m3/h)
Q出---用水高峰期的顧客用水量(m3/h)
△ t---用水高峰的持續時(shí)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(lái)水的進(jìn)水量 Q進(jìn)和高峰持續時(shí)間△t,幾乎是設計師無(wú)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(wǎng)出水量的不確定因素實(shí)在是太多了。
基于“貯水調峰”的設計思想又有了“水箱式無(wú)負壓給水設備”的出現,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)各自取水的兩套設備切換運行。這種方式,幾乎喪失了“管網(wǎng)直接給水”的全部?jì)?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。至于可以疊壓節能的優(yōu)點(diǎn),要通過(guò)投資回收率或投資效益比的評價(jià),算計一下經(jīng)濟上是否值得投資“水箱式無(wú)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(chóng)等污物之嫌，由此產(chǎn)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(guò)濾器”。在進(jìn)氣口加裝空氣過(guò)濾芯等裝置,防止顆粒物進(jìn)入水罐,當然是防治污染的有效辦法。但不知過(guò)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(huì )接觸空氣而稱(chēng)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(zhì)問(wèn)題的疑問(wèn)；有運行中水中氣體在囊中或隔膜下無(wú)法排出,只有經(jīng)過(guò)水泵排出,因而會(huì )造成水泵氣蝕而影響水泵的使用壽命的問(wèn)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(dòng)作,而負壓吸力下則難以保證動(dòng)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(gè)倉體,分為水倉和氣倉,罐體在全密閉狀態(tài)下運行,當水倉中產(chǎn)生負壓時(shí)吸氣閥打開(kāi),從氣倉補入氣體,做到了不與外界空氣接通,由于廠(chǎng)家的技術(shù)保密,筆者對其性能不夠了解,只是見(jiàn)到“氣倉氣體是否存有害物質(zhì)”、“罐體內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(jiàn)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(xiě)到,“在管道隆起點(diǎn)和平直段的必，要位置上,應裝設排(進(jìn))氣閥,以便及時(shí)排除管內空氣,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)生負壓”。（注4）吸氣閥方式是具有理論依據和實(shí)踐證明的成熟的簡(jiǎn)單的技術(shù)。就是這樣簡(jiǎn)單明瞭的工作原理和罐上裝個(gè)吸氣閥就可行的簡(jiǎn)單裝置會(huì )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(wǎng)鎮流器、管網(wǎng)保護神等中國乃至世界的新產(chǎn)品。使得“無(wú)負壓概念滿(mǎn)天飛,發(fā)明人叫苦不迭”,“利用人們不懂混淆視聽(tīng),玷污了無(wú)負壓這個(gè)概念”（注5）。---有人如是說(shuō)。
2.預加壓力法
在一個(gè)上進(jìn)水下出水的橡膠隔膜壓力罐的氣室中預加一定的壓力,用空氣壓縮機或氮氣瓶等施壓均可實(shí)現。保持自來(lái)水的進(jìn)水口有一定的壓力,就限制了取水量,并不會(huì )使管道產(chǎn)生負壓,這項技術(shù)60年代就有用于密閉液體容器上, 近來(lái)被個(gè)別廠(chǎng)家采用于變頻自動(dòng)給水設備,顯然是可行的技術(shù)。但它的隔膜式罐必然有1.3.2節所述的各種缺點(diǎn)。
3.緩沖罐補流法
當管網(wǎng)能力充裕,而用戶(hù)水泵很小之時(shí),根本就沒(méi)有缺水性負壓的生成條件,即不會(huì )產(chǎn)生出水流量大于進(jìn)水流量的斷流現象。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)生的負壓還是會(huì )影響管網(wǎng)安全（注1）,在水泵起動(dòng),停泵,振蕩,失控,出水管斷裂等很多情況下都會(huì )產(chǎn)生瞬變流負壓。為避免此現象造成管網(wǎng)脈動(dòng),可以在水泵進(jìn)水管上并聯(lián)一個(gè)空氣罐,罐中積蓄著(zhù)管網(wǎng)壓力和罐中水位高度的勢能,當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(chǎn)生條件,使水流脈動(dòng)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(dòng)和停止的定速運轉的2-3臺小泵進(jìn)行臺數切換控制來(lái)調節流量，每臺泵旁邊立一個(gè)小型空氣罐用于緩沖流量瞬變，這樣的設備在日本國多見(jiàn)。
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(jìn)的智能化控制設備和技術(shù)，自動(dòng)控制水泵工況和水體流態(tài)，從根本上消除負壓生成條件，則不會(huì )產(chǎn)生負壓而不是產(chǎn)生之后再去消除。-----這種全新設計理念的產(chǎn)品一經(jīng)推出，就引起了業(yè)內的關(guān)注。因為從理論上講，有三點(diǎn)可以說(shuō)明它是先進(jìn)的。其一，產(chǎn)生負壓再去消除的動(dòng)態(tài)過(guò)程仍然是流量突變的振蕩過(guò)程，造成用水安全性和快適性的不良，而根本不會(huì )產(chǎn)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(dòng)作準確，響應速度快等優(yōu)點(diǎn)。這是任何消除負壓的機械裝置所不能匹敵的，因此對管網(wǎng)有更可靠、更敏捷的保護作用。其三，不需要吸氣排水的過(guò)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(dòng)控制的概念，可以廣義的理解時(shí)，則很簡(jiǎn)單的位式控制也被稱(chēng)為自動(dòng)控制。例如，在進(jìn)水罐上裝一塊電接點(diǎn)壓力表，當壓力低于某定值，（例如，北京規定為0.2MPa時(shí)停泵）斷電停泵?；蛟诠奚涎b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(jiǎn)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(chǎn)生負壓和完成加壓送水滿(mǎn)足用戶(hù)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(wǎng)壓力值，當它低于規定下限值（例如0.2MPa）時(shí)，發(fā)出控制指令，停止水泵運轉。當管網(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(dòng)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(jiǎn)單易行的方法。由于瞬變流負壓有可能產(chǎn)生瞬間壓力突降，這可以使用大阻尼裝置或設定長(cháng)阻尼時(shí)間，把瞬變流態(tài)造成的壓力波動(dòng)濾去，權當并未發(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(wèn)題出現。
如果在壓力下限停泵之前有一個(gè)緩沖的空間，例如，當壓力0.22Mpa時(shí)約束水泵不再升速，使水泵在管網(wǎng)特性曲線(xiàn)的作用下自然地改變工況。管網(wǎng)常常會(huì )自然恢復壓力。從而減少了突然停泵次數，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(huì )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(guò)水廠(chǎng)控制系統可以恰適的調度，保持管網(wǎng)壓力的穩定性。若用較苛刻的壓力約束條件，幾乎無(wú)法推廣使用無(wú)負壓供水設備。而流量約束控制用以限定用戶(hù)的取水流量，只要用戶(hù)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，只要不是負壓哪怕只剩1m或2m水頭也無(wú)妨。這就大大擴展了無(wú)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(wèn)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?jì)x表價(jià)格昂貴，維護麻煩，一般只會(huì )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、樓宇用的無(wú)負壓供水設備可用壓力儀表檢測壓力，通過(guò)壓力和流量的關(guān)系式作成數學(xué)模型，將壓力演算為流量進(jìn)行控制，這在微機控制系統中是不難實(shí)現的，但模型需要的數據往往設計時(shí)提不出來(lái)或計算不準確,所以需要現場(chǎng)運行實(shí)測，這樣就加大了現場(chǎng)工事的工作量和時(shí)間，增加了工程造價(jià)。因此，大多用估算的數據，并不追求模型的精度。所以管網(wǎng)準用流量指標下達時(shí)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(dòng)，軟停止，臺數增減時(shí)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(chǎn)生失控的處理等方法?？刂频哪康?，是保持非恒定流的連續性流態(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)水而拉斷水柱的現象。為了更加保險，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失靈或滯后出現瞬變流沖擊管網(wǎng)。
4．3、出水的恒壓控制
水泵在疊加管網(wǎng)壓力下運行，有很多新的問(wèn)題（注7）出現。其中，出口壓力受用水流量變化和管網(wǎng)壓力變動(dòng)的雙向擾動(dòng)，以及疊壓后水泵流量范圍變大，特性曲線(xiàn)變化等問(wèn)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(jiǎn)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(dòng)給水設備的控制功能除“抑制負壓產(chǎn)生”和“出水恒壓控制”的基本功能之外，還應具有很多實(shí)用性強的附加功能，如停水停機后來(lái)水時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，停電后復電再啟動(dòng)，水泵故障時(shí)備用泵自動(dòng)投入，工作泵和備用泵定時(shí)切換以免水泵停機死水時(shí)間過(guò)長(cháng)等人性化的事故自處理和自啟動(dòng)的功能。還有電氣開(kāi)關(guān)無(wú)火花，儀表斷線(xiàn)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(shí)現的優(yōu)化控制功能。多樣化的控制功能推動(dòng)了無(wú)負壓供水設備向無(wú)人值守、免維護、長(cháng)壽命、低噪聲、節電較大化、安全供水無(wú)事故、安定用水很舒適的高，端產(chǎn)品發(fā)展。
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