梁 波

隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展，給排水設(shè)備也在不斷提高，從過去老式的水泵加屋頂水箱到現(xiàn)在變頻供水(節(jié)能、去掉了易污染的屋頂水池)。近年來又一新型的供水設(shè)備出現(xiàn)——無負(fù)壓變頻恒壓供水，它是在變頻恒壓供水設(shè)備上發(fā)展起來的，它主要由無負(fù)壓調(diào)節(jié)罐、水泵、氣壓罐、變頻智能控制系統(tǒng)等組成，利用原有自來水管網(wǎng)壓力進行高效節(jié)能供水方式。

1 無負(fù)壓變頻恒壓供水工作原理

無負(fù)壓自動供水系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成。第一部分是前置管路，包括接市政管網(wǎng)、倒流防止器、過濾器、加氯機或臭氧接口;第二部分是無負(fù)壓自動調(diào)節(jié)裝置，包括氣壓罐、隔膜、真空抑制裝置、排污閥、紫外線消毒器、報警裝置、真空表等;第三部分是變頻調(diào)速增壓裝置，包括水泵組、保壓裝置、變頻控制柜、遠傳壓力表、用戶管網(wǎng)等。系統(tǒng)圖如圖1所示。

自來水管網(wǎng)的水直接進入調(diào)節(jié)罐，罐內(nèi)的空氣從真空消除器內(nèi)排出，待水充滿后，真空消除器自動關(guān)閉。當(dāng)自來水能夠滿足用水壓力及水量要求時，設(shè)備通過旁通止回閥向用水管網(wǎng)直接供水;當(dāng)自來水管網(wǎng)的壓力不能滿足用水要求時，系統(tǒng)通過壓力傳感器(或壓力控制器、電接點壓表)給出起泵信號啟動水泵運行。水泵供水時，若自來水管網(wǎng)的水量大于水泵流量，系統(tǒng)保持正常供水;用水高峰期時，若自來水管網(wǎng)水量小于水泵流量時，調(diào)節(jié)罐內(nèi)的水作為補充水源仍能正常供水，此時，空氣由真空消除器進入調(diào)節(jié)罐，消除了自來水管網(wǎng)的負(fù)壓，用水高峰期過后，系統(tǒng)恢復(fù)正常的狀態(tài)。若自來水管網(wǎng)停水而導(dǎo)致調(diào)節(jié)罐內(nèi)的水位不斷下降，液位探測器給出水泵停機信號以保護水泵機組。

2 無負(fù)壓變頻恒壓供水系統(tǒng)自動控制的實現(xiàn)

無負(fù)壓自動供水系統(tǒng)主要是通過微機控制變頻調(diào)速來實現(xiàn)恒壓供水。首先根據(jù)實際情況設(shè)定用水點工作壓力，并時刻監(jiān)測市政管網(wǎng)壓力，當(dāng)壓力低于用戶所需壓力時，微機自動控制子變頻器啟動，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速提高，直到管網(wǎng)壓力上升到用戶所需壓力，并控制水泵以一恒定轉(zhuǎn)速運行進行恒壓供水。當(dāng)用水量增加時轉(zhuǎn)速提高，當(dāng)用水量減少時轉(zhuǎn)速降低，時刻保證用戶的用水壓力恒定。自來水的壓力越低，水泵的轉(zhuǎn)速越高;自來水的壓力越高，水泵的轉(zhuǎn)速越低。當(dāng)自來水的壓力不小于用戶所需的壓力時，水泵停止運轉(zhuǎn)。設(shè)備在運行過程中既充分利用自來水的原有壓力，又保證了用戶供水壓力恒定。設(shè)備在運行過程中，微機時刻監(jiān)測市政管網(wǎng)和系統(tǒng)壓力，自動控制真空抑制器及穩(wěn)流補償器來抑制負(fù)壓的產(chǎn)生，既充分利用了市政管網(wǎng)的壓力，又不產(chǎn)生負(fù)壓，不對市政管網(wǎng)產(chǎn)生任何不良影響，保證了用水的安全性。無負(fù)壓供水設(shè)備既能利用自來水管網(wǎng)的原有壓力，又能動用足夠的儲存水量滿足高峰期用水，且不會對自來水管網(wǎng)產(chǎn)生吸力。

當(dāng)市政自來水管網(wǎng)的壓力低于用戶管網(wǎng)所需壓力時，控制系統(tǒng)會自動發(fā)出信號，控制變頻泵軟啟動運行，直到用戶管網(wǎng)的實際壓力相等，變頻器控制變頻泵以一恒定的轉(zhuǎn)速運行。市政自來水管網(wǎng)的壓力越高，則變頻泵的轉(zhuǎn)速越低;市政自來水管網(wǎng)的壓力越低，則變頻泵的轉(zhuǎn)速就越高。而當(dāng)壓力相等時，變頻泵就延時休眠，即充分利用自來水原有的壓力，以確保用戶所需要的壓力恒定。當(dāng)壓力下降到喚醒值時，水泵自動喚醒。變頻泵的進水口與隔膜無負(fù)壓罐相連，微機時刻檢測隔膜無負(fù)壓罐的壓力，通過吸氣(排氣)來穩(wěn)定隔膜無負(fù)壓罐內(nèi)的壓力和自來水進水的壓力，使其不產(chǎn)生負(fù)壓，從而保證整個自來水管網(wǎng)的正常供水。如果產(chǎn)生瞬時負(fù)壓，微機自動發(fā)出指令，先延時停止所有的工頻泵，再延時變頻減速，不停機，既能保證用戶用水，又可以緩和瞬時負(fù)壓情況。當(dāng)市政自來水管網(wǎng)的壓力信號控制器出現(xiàn)故障時，報警裝置發(fā)出報警信號給變頻控制柜控制水泵，并發(fā)出聲光報警。

3 無負(fù)壓變頻恒壓供水系統(tǒng)自動控制的原理

第一種控制方式:變頻器+PLC。

如圖2所示，加泵時，先將變頻器供電的泵從變頻器斷開，將該泵直接接到電網(wǎng)上，然后用變頻器再去啟動下一臺水泵。

減泵時，變頻器輸出已到最低頻率和電壓，這時把直接接在電網(wǎng)上的另一臺電機從電網(wǎng)斷開，然后變頻器在壓力調(diào)節(jié)器的作用下，又重把它控制的電機速度調(diào)到所需流量相對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。設(shè)若一臺水泵的額定輸出流量為Qrat，需要減泵的情況是發(fā)生在從Qrat+δ Qrat到 Qrat-δ Qrat的過渡，其中，Qrat為一臺工頻泵提供的流量，δ Qrat為變頻泵提供的流量(δ=0～1)，在減泵時，δ是接近0的分?jǐn)?shù)，如果突然切除一臺工頻泵，系統(tǒng)的流量突然減少Q(mào)rat，帶來的流量變化十分巨大。因此這種系統(tǒng)在減泵時的流量波動很大。

第二種控制方式:變頻器+軟啟動器+PLC。

如圖3所示，將變頻器固定控制一臺水泵電動機，在需要加減泵時，用軟啟動器來啟動或停止另外的水泵電動機。

在該系統(tǒng)中，由變頻器控制M0水泵電機，變頻器中的壓力調(diào)節(jié)器根據(jù)壓力反饋與給定壓力的誤差來調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓和頻率，從而調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速和水量。當(dāng)需要加泵時，例如這時需要增加第2臺水泵，就由軟啟動器SS1啟動M1電動機，隨著M1水泵輸出流量的增加，壓力調(diào)節(jié)器會自動調(diào)節(jié)M0水泵的轉(zhuǎn)速，使壓力保持在規(guī)定值。當(dāng)M1電機達到額定轉(zhuǎn)速時，旁路真空接觸器CK12合閘，將電動機直接接到電網(wǎng)上，這時M0水泵由變頻器驅(qū)動，也穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速。因此在這個過程中，既沒有大的電流沖擊，也沒有大的流量波動。

當(dāng)需要減泵時，例如這時需要將工頻運行的M1水泵切除掉，軟啟動器SS1便會投入運行，其可控硅處于全導(dǎo)通的狀態(tài)，斷開旁路真空接觸器，然后軟啟動器在TruTorque轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制軟件的控制下，使水泵按水泵的機械特性曲線減速，直到停止(采用這種轉(zhuǎn)矩控制方法，不會發(fā)生水錘現(xiàn)象)。在M1水泵減速過程中，壓力調(diào)節(jié)器也會根據(jù)水系統(tǒng)壓力的變化，調(diào)節(jié)M0水泵的速度，使之升速以保持水壓恒定。因此在這個過程中，也沒有大的流量波動。

兩種方案在經(jīng)濟方面相差不多，但采用軟啟動器的方案比采用同步切換的方案在技術(shù)性能上要優(yōu)越得多，所以優(yōu)先使用第二種方案。

總之，無負(fù)壓供水系統(tǒng)的研究應(yīng)用在供水行業(yè)中掀起了一次具有重大意義的革命。雖然它在使用中還有一些小小的限制，但是在“節(jié)能、節(jié)地、防污染”等各個方面都具有傳統(tǒng)供水方式所不可比擬的優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展空間。特別是“節(jié)能、防污染”，在能源日趨緊張、人們對生活質(zhì)量水平要求越來越高的今天，是一種較為合理的供水方式。

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