變頻自動給水設(shè)備消除負(fù)壓的常見方法
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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)際上是一個浮子式吸氣閥,當(dāng)水位下降時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“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)控制高度時間較長,在吸氣閥打開前的過渡時段,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壓力容器要價值幾何?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,所謂的真空抑制器或是“吸氣閥”就處在長時間打開的接通大氣的狀態(tài)下,密閉的水罐就是一個開口水池。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)時間
此式中,除Q出一項(xiàng)是設(shè)計師可依據(jù)規(guī)范計算出的數(shù)據(jù)以外,而自來水的進(jìn)水量 Q進(jìn)和高峰持續(xù)時間△t,幾乎是設(shè)計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，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,算計一下經(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,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)壓這個概念”（注5）。---有人如是說。
2.預(yù)加壓力法
在一個上進(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,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，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，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，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緩沖的空間，例如，當(dāng)壓力0.22Mpa時約束水泵不再升速，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。但流量儀表價格昂貴，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)計時提不出來或計算不準(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間，增加了工程造價。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。控制的目的，是保持非恒定流的連續(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，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)后來水時自動啟動，停電后復(fù)電再啟動，水泵故障時備用泵自動投入，工作泵和備用泵定時切換以免水泵停機(jī)死水時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。
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