無負(fù)壓供水系統(tǒng)在離石供水加壓泵站改造中應(yīng)用

郭加強(qiáng) 李興唐 郭小凡

(呂梁市供水服務(wù)中心，山西呂梁 033000)

無負(fù)壓供水系統(tǒng)在離石供水加壓泵站改造中應(yīng)用

郭加強(qiáng) 李興唐 郭小凡

(呂梁市供水服務(wù)中心，山西呂梁 033000)

鑒于加壓泵站長期采用水泵從清水池吸水二次加壓方式存在諸多弊端，采用了性能可靠的無負(fù)壓設(shè)備取代傳統(tǒng)模式的高揚(yáng)程水泵和清水池，改造后的系統(tǒng)能夠有效控制其壓力和流量，實(shí)現(xiàn)恒壓供水，而且節(jié)能，并對(duì)水錘、空氣等問題有所改進(jìn)，優(yōu)化了加壓站的供水系統(tǒng)。

加壓站，無負(fù)壓設(shè)備，恒壓供水，節(jié)能

0 引言

離石區(qū)位于山西省西部，呂梁山中段西側(cè)，是呂梁市所在地，地貌東北高、西南低，氣侯炎熱多雨，寒冷少雪，平均氣溫8.9℃，年平均降雨量450 mm～550 mm。供水加壓站始建于1982年，生產(chǎn)工藝是從城市管網(wǎng)接入水源送至200m3接水池、經(jīng)加壓泵房加壓后送至用戶，在管網(wǎng)末端最高點(diǎn)設(shè)有500m3高位水池用來保持供水不足時(shí)壓力的平衡，實(shí)行24 h連續(xù)運(yùn)行的傳統(tǒng)增壓模式，日產(chǎn)水量在1 500 m3～1 800 m3，供水區(qū)域高差39 m，供水運(yùn)行系統(tǒng)由2臺(tái)離心式水泵一用一備工頻運(yùn)行，噸水耗能0.34度/t，運(yùn)行人員8人，以4班3運(yùn)轉(zhuǎn)的值班模式，承擔(dān)著市區(qū)龍山2萬余人口的生活用水任務(wù)。

因人工操作常出現(xiàn)斷水和溢水現(xiàn)象，為了節(jié)約人力費(fèi)用，降低改造成本，提高供水能力和服務(wù)水平，根據(jù)進(jìn)水水壓和用水量的實(shí)際情況，計(jì)劃分為不同時(shí)段予以增壓，在小流量時(shí)減少了泵站開泵臺(tái)數(shù)，利用了部分進(jìn)水壓力增壓，從而降低運(yùn)行成本和用戶初期成本，達(dá)到穩(wěn)壓供水的效果。因此選用具有合適流量、揚(yáng)程、性能的無負(fù)壓設(shè)備，與市政直供管道連接，把市政管道中原有壓力引入無負(fù)壓進(jìn)水端，經(jīng)設(shè)備疊壓增壓后傳輸給下端用戶，同時(shí)利用末端500 m3高位水池水在夜間低峰時(shí)停止水泵運(yùn)行供給用戶，達(dá)到滿足用戶用水和控制調(diào)節(jié)供水的目的。

1 改造方案的整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由中央控制器、ABB變頻器、文本顯示器組成，功能如下:

1)中央控制器實(shí)現(xiàn)控制功能。

壓力控制，通過壓力傳感器送入的數(shù)據(jù)，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制轉(zhuǎn)速;流量控制，通過流量變送器采集的數(shù)據(jù)和設(shè)定的流量值，控制加泵和減泵;定時(shí)切換，通過計(jì)算累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，保證每臺(tái)泵的動(dòng)作時(shí)間基本一致;故障處理，采集電機(jī)過熱故障信號(hào)，故障時(shí)可方便的進(jìn)行切換。

2)通過變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵轉(zhuǎn)速的控制。

3)通過端子控制接受中央控制器指令，執(zhí)行對(duì)水泵轉(zhuǎn)速的控制，保證恒定的供水壓力。

4)通過文本顯示器實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換，并可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的顯示、設(shè)備運(yùn)行狀況顯示、故障記錄顯示、設(shè)備參數(shù)設(shè)定。

2 改造方案具體設(shè)計(jì)

2.1 無負(fù)壓設(shè)備運(yùn)行原理

1)設(shè)備采用微機(jī)變頻技術(shù)，通過穩(wěn)壓補(bǔ)償系統(tǒng)使設(shè)備與市政配水管網(wǎng)直接鏈接。根據(jù)用戶實(shí)際高差設(shè)定出水點(diǎn)的工作壓力;工控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)配水管網(wǎng)實(shí)際壓力值，通過實(shí)際壓力值與設(shè)定壓力值對(duì)比比較，降低或升高變頻器的頻率。正常供水時(shí)，水泵從穩(wěn)壓補(bǔ)償罐來水調(diào)節(jié)區(qū)中取水增壓，供水調(diào)節(jié)區(qū)通過雙向補(bǔ)償器對(duì)瞬時(shí)高峰用水量差值補(bǔ)償，保護(hù)了市政來水管網(wǎng)的壓力不受干擾。供水調(diào)節(jié)區(qū)在正常供水時(shí)，通過雙向補(bǔ)償器與市政供水管網(wǎng)連通，能夠有效保護(hù)市政管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，控制系統(tǒng)獨(dú)特設(shè)計(jì)和雙腔罐體的設(shè)計(jì)，能夠避免壓力管道流速的急劇變化所產(chǎn)生的水力沖擊現(xiàn)象。

2)對(duì)加壓泵站而言，由于市政供水流量變化較大，且供水時(shí)段較集中，工頻切換水錘效應(yīng)較大，會(huì)使水泵軸承機(jī)封損害較大，所以采用穩(wěn)壓供水系統(tǒng)。使每臺(tái)水泵通過變頻調(diào)速控制其轉(zhuǎn)速，可以達(dá)到恒壓供水，控制水泵的運(yùn)行數(shù)量可以滿足用水流量，并可選擇時(shí)段設(shè)定不同的給水壓力。故其優(yōu)點(diǎn)如下:

a.變頻啟動(dòng)電流由小逐漸到大，且啟動(dòng)平穩(wěn)，對(duì)電網(wǎng)的沖擊小。

b.由于水泵轉(zhuǎn)速低于工頻轉(zhuǎn)速，有利于電機(jī)和水泵使用壽命。

c.停機(jī)電流由大逐漸到小防止了停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)。

d.分時(shí)段供水，可降低其低峰時(shí)的浪費(fèi)。

充分利用500 m3高位水池緩解和調(diào)節(jié)作用，利用水池水位設(shè)定高中低控制點(diǎn)調(diào)整頻率、泵的啟動(dòng)、停止，特別是在夜間供水低峰時(shí)水位滿后停泵時(shí)間保持較長并滿足了用戶用水需求，節(jié)能效果明顯。

2.2 方案中的參數(shù)選擇

根據(jù)工程概況所給數(shù)據(jù):流量Q=100 m3/h，揚(yáng)程H=50 m，分析水泵性能曲線后，選擇了水泵為3臺(tái)格蘭富立式雙吸泵，相應(yīng)流量和揚(yáng)程時(shí)運(yùn)行于水泵高效區(qū)，即使在常規(guī)流量下，水泵經(jīng)過變頻依然在40 Hz左右運(yùn)行，保證了水泵最大可能在高效區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 系統(tǒng)組成元件

選用3臺(tái)CR90-3水泵:Q=100 m3/h，H=50 m，N=22 kW，兩用一備。系統(tǒng)利用原有500 m3水池1個(gè);設(shè)備進(jìn)水口徑DN200;閥門包括:蝶閥、軟連接、橡膠板止回閥;出水口徑DN150。

2.4 方案中的防止水錘和空氣破壞措施

裝水錘消除器或安全閥，進(jìn)行泄水減壓，安裝緩閉止回閥，延長緩閉減壓，在凸起部位安裝自動(dòng)排氣閥以防止水錘和空氣破壞。

2.5 方案中的流速設(shè)計(jì)

根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》和《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》［1-5］等資料，依據(jù)水力學(xué)中的流量Q、流速V、管徑D的關(guān)系:

供水管網(wǎng)的流速最高不宜超過2.5 m/s，不淤流速應(yīng)大于0.7 m/s。通常，各城市采用的經(jīng)濟(jì)流速Ve范圍如下:

該加壓站管網(wǎng)管徑在100 mm～300 mm之間，因此選擇經(jīng)濟(jì)流速Ve=0.5m/s～1.1 m/s。

2.6 方案中的節(jié)能降耗措施

1)變頻調(diào)速技術(shù)在水泵中應(yīng)用發(fā)展，可根據(jù)水泵負(fù)載特性來調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速和啟動(dòng)時(shí)間長短等參數(shù)，獲得節(jié)能特性。在供水泵站采用變頻無負(fù)壓技術(shù)，可以充分利用市政管網(wǎng)原有壓力，疊加增壓，達(dá)到了節(jié)能和穩(wěn)定運(yùn)行的目的。供水無負(fù)壓變頻的節(jié)能降耗原理，就是離心式水泵輸出特性，取決于水泵的種類和供水管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力特性，見圖1，圖2。

從節(jié)能的角度出發(fā)，改造原存在于工頻運(yùn)行設(shè)備，較多利用變頻調(diào)速改變水泵轉(zhuǎn)速，以滿足工頻調(diào)整頻率時(shí)對(duì)性能的要求。因此，水泵調(diào)整轉(zhuǎn)速時(shí)的H—Q曲線改變?yōu)閳D3，水泵的性能特性曲線N與管道性能曲線DE的交點(diǎn)A0為水泵正常使用時(shí)的工作點(diǎn)。

2)通過節(jié)流控制、變頻、無負(fù)壓的比較，說明無負(fù)壓的節(jié)能工作原理。

節(jié)流控制:在圖4中阻力曲線由DE改變?yōu)镈E1是通過控制閥門的開啟度，以達(dá)到控制供水摩擦阻力的目的，摩擦阻力變大后，揚(yáng)程則由H0上升到H1位置，運(yùn)行工況點(diǎn)從A0變?yōu)锳1位置，流量由Q0降低為Q1，達(dá)到節(jié)流目的。

圖1 離心泵特性曲線（一）

圖2 供水管網(wǎng)的阻力曲線（一）

圖3 離心泵特性曲線（二）

圖4 供水管網(wǎng)阻力曲線（二）

變頻調(diào)速控制:當(dāng)管網(wǎng)性能曲線不變時(shí)，改變水泵轉(zhuǎn)速將N變?yōu)镹1，工頻點(diǎn)的位置由A0點(diǎn)移動(dòng)到A2點(diǎn)，此時(shí)輸出流量與使用節(jié)流控制時(shí)的輸出流量相同，但揚(yáng)程由H0降到H2，與節(jié)流控制相比，揚(yáng)程更低，更節(jié)能。

無負(fù)壓設(shè)備:就是利用了市政管網(wǎng)原有的壓力，即水泵進(jìn)口壓力加水泵揚(yáng)程才等于普通變頻的揚(yáng)程，因此水泵揚(yáng)程低于普通變頻揚(yáng)程，兩種工頻下水泵揚(yáng)程差為Δh=h-h1。速度從n變?yōu)閚1，工頻A0點(diǎn)移到A3點(diǎn)，揚(yáng)程從H0降到H3，流量將從Q0減小到Q1，與用節(jié)流控制時(shí)輸出的流量相同。

以上三種方法運(yùn)行時(shí)A1點(diǎn)、A2點(diǎn)以及A3點(diǎn)的泵軸功率分別為:

即用節(jié)流控制流量比用變頻調(diào)速控制時(shí)多浪費(fèi)了ΔP的功率，比用變頻無負(fù)壓時(shí)多浪費(fèi)了ΔP1的功率，而且消耗隨著閥門的開度減小而增加。用變頻調(diào)速控制比用無負(fù)壓時(shí)多浪費(fèi)了ΔP2的功率，因此節(jié)能潛力巨大。所以，最有效的節(jié)能措施就是采用變頻無負(fù)壓供水。一般應(yīng)用變頻無負(fù)壓節(jié)電率為20%～50%，效益顯著。

另外，變頻調(diào)速控制時(shí)，由水泵的葉輪相似定律，當(dāng)轉(zhuǎn)速從n0變?yōu)閚2時(shí)，Q，H，P大致變化關(guān)系為:

2.7 改造前后24 h運(yùn)行參數(shù)對(duì)照

改造前后噸水單位耗電和供水量發(fā)生巨大變化，改造前噸水單位耗電為0.336度/m3;改造后噸水單位耗電為0.187度/m3;噸水節(jié)能降低了44.34%;供水量提高了62.1%。改造前后24 h運(yùn)行參數(shù)對(duì)照表見表1。

3 無負(fù)壓與高位水箱相結(jié)合供水模式的優(yōu)勢(shì)

供水方式的優(yōu)點(diǎn)是:

1)可以避開用水高峰期。建筑用水有很大的不均勻性，早晚高峰期的用水很集中。如果水箱有水，就可以不開泵，或設(shè)定時(shí)間段參數(shù)，避開用水高峰。只要能避開用水高峰期，就可以保證市政管網(wǎng)壓力不會(huì)下降。

表1 改造前后24 h運(yùn)行參數(shù)對(duì)照表(2013年6月)

2)水泵不需要24 h運(yùn)轉(zhuǎn)，中間間歇停機(jī)時(shí)間長，節(jié)能效果明顯。建筑用水的特點(diǎn)就是不均勻性強(qiáng)，變化系數(shù)大。利用高位水箱供水，可以有效地解決這個(gè)問題。水泵如果選型合適，將始終在最高效的工頻區(qū)間運(yùn)轉(zhuǎn)，并且利用高位水箱，低位起、高位停的控制邏輯，可以使下端無負(fù)壓設(shè)備運(yùn)行時(shí)間較短，節(jié)能效果明顯。

3)有效的利用了市政管網(wǎng)壓力，疊加增壓，差額補(bǔ)償。即使上端市政管網(wǎng)無水，利用變頻模式向高位水箱供水也可以超越其他無負(fù)壓設(shè)備的高效節(jié)能性。

4)增壓水箱結(jié)構(gòu)為全封閉設(shè)計(jì)，通氣孔采用往復(fù)式吸排氣過濾裝置，能夠有效的過濾灰塵和雜質(zhì)，水箱底部設(shè)置枝狀引水裝置，有效增加取水面積，保證水質(zhì)鮮活度，解決了水箱滯留層、死水層的問題。

5)水箱內(nèi)部裝有智能化增壓裝置，在水泵切換時(shí)，保持用戶管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，水泵處于高效區(qū)運(yùn)行。控制系統(tǒng)中增加時(shí)間控制器，定時(shí)對(duì)水箱水源循環(huán)使用，保證水箱中水質(zhì)新鮮。

6)采用數(shù)據(jù)光纖實(shí)現(xiàn)了無人值守遠(yuǎn)程控制、監(jiān)視，管網(wǎng)壓力平穩(wěn)故障率減少，運(yùn)行以來年供水量提高62.1%，噸水耗能降低了44.3%，收到了良好效益。

4 結(jié)語

采用無負(fù)壓技術(shù)，智能增壓裝置運(yùn)行時(shí)，市政進(jìn)水和水箱儲(chǔ)水同時(shí)作為取水水源。當(dāng)市政管網(wǎng)壓力充足時(shí)，從市政管網(wǎng)取水向高位水箱供水;當(dāng)市政管網(wǎng)供水不足時(shí)，智能增壓裝置啟動(dòng)，從水箱取水，補(bǔ)充市政管網(wǎng)供水的不足，保證外網(wǎng)不出現(xiàn)無負(fù)壓。滿足用戶設(shè)定值后再送至高位水箱，如未達(dá)到設(shè)定值高位水箱可通過已存水，傳輸給用戶。當(dāng)高位水箱滿水后(高水位)水泵自動(dòng)停運(yùn)，高位水箱處于低水位時(shí)，下端無負(fù)壓水箱設(shè)備自動(dòng)開啟，設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了無需人員值守，是一個(gè)供水穩(wěn)定，投資少，逐步調(diào)節(jié)增壓的供水方案。

［1］ GB 50015—2003，建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ GB 17051—1997，二次供水設(shè)施衛(wèi)生規(guī)范［S］.

［3］ GB 50242—2002，建筑給水排水及采暖工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范［S］.

［4］ GB 50013—2006，室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］ GBJ 54—83，低壓配電裝置及線路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

Non-negative pressure water supply system is app lied in Lishiwater-supply booster pum p station renovation project

Guo Jiaqiang Li Xingtang Guo Xiaofan

(Lvliang Urban Water Supply Company，Lvliang 033000，China)

Since the long-term use of secondary pressure booster pump station pumps from the clear water tank to uptake water hasmany shortcomings，so we use a reliable non-negative pressure water-supply equipment to replace the traditionalmodel of high lift pump and clean water tank，after the transformation of the system is able to control its pressure and flow，constant pressure water supply can be achieved with the purpose of saving energy.In themeanwhile，water hammer，air and other issues has improved.Thus，optimizing the water pressure station.

booster pump station，non-negative pressure equipment，constant pressure water supply，energy saving

TU991

A

1009-6825(2015)29-0141-03

2015-08-05

郭加強(qiáng)(1960-)，男，工程師; 李興唐(1972-)，男，工程師; 郭小凡(1988-)，女，助理工程師