變頻自動(dòng)給水設(shè)備消除負(fù)壓的常見方法
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變頻自動(dòng)給水設(shè)備消除負(fù)壓的常見方法
自1998年變頻自動(dòng)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(qǐng)已近百件。一項(xiàng)看來簡(jiǎn)單的應(yīng)用技術(shù),令人有深?yuàn)W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(duì)目前已上市的變頻自動(dòng)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(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(dòng)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(guó)較早的該類專利申請(qǐng)中,見于1997年的“機(jī)械式真空補(bǔ)償器”實(shí)際上是一個(gè)浮子式吸氣閥,當(dāng)水位下降時(shí)浮子及閥芯下降接通大氣；而稱為“電動(dòng)式真空補(bǔ)償器”的專利申請(qǐng)就是一個(gè)受液位接觸點(diǎn)控制而打開的電磁閥?，F(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(gè)“吸排氣閥門”。簡(jiǎn)單的原理和普通的構(gòu)造被說清楚后,使得“變頻自動(dòng)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(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(duì)“補(bǔ)氣法”的這一缺點(diǎn)而言。市場(chǎng)上也出現(xiàn)了稱為“真空全密閉”的產(chǎn)品,針鋒相對(duì)地指向了吸氣閥補(bǔ)氣法的產(chǎn)品。
1.2.2 筆者曾撰文對(duì)吸排氣閥動(dòng)作可靠性問題提出疑義﹝見注1文﹞是出自兩個(gè)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(dòng)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(shí)根本沒有缺水負(fù)壓產(chǎn)生的條件,面對(duì)瞬變流產(chǎn)生的負(fù)壓,動(dòng)作相對(duì)遲緩的機(jī)械閥門也根本不會(huì)動(dòng)作,因此,出現(xiàn)閥門長(zhǎng)年不動(dòng),該動(dòng)時(shí)動(dòng)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(shí)間較長(zhǎng),在吸氣閥打開前的過渡時(shí)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(dòng)的水力因素。此時(shí)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(huì)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(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(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(jiǎn)單、含糊。表現(xiàn)為缺少定量的指標(biāo)，缺少動(dòng)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(shí)負(fù)壓消除器自動(dòng)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(shí)的狀況。
1.2.4儲(chǔ)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(jià)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(shí)通過儲(chǔ)水罐來“貯水調(diào)峰”,即:管網(wǎng)進(jìn)水流量會(huì)小于用戶用水量時(shí)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(dòng)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(gè)壓力容器要價(jià)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(shí),所謂的真空抑制器或是“吸氣閥”就處在長(zhǎng)時(shí)間打開的接通大氣的狀態(tài)下,密閉的水罐就是一個(gè)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(shí)間若過長(zhǎng)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(jì)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(shí)間
此式中,除Q出一項(xiàng)是設(shè)計(jì)師可依據(jù)規(guī)范計(jì)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(shí)間△t,幾乎是設(shè)計(jì)師無法得到可靠的數(shù)據(jù)的,也很難有相對(duì)準(zhǔn)確的估計(jì)，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(jì)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?jī)?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(píng)價(jià),算計(jì)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(duì)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(duì)“補(bǔ)氣法”的非議和拒絕。于是就有了如下幾種對(duì)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(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(duì)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(huì)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(dòng)作,而負(fù)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(dǎo)致未充分利用儲(chǔ)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(gè)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(shí)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(duì)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(duì)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(jì)手冊(cè)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(shí)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(shí)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(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(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(guó)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(gè)概念”（注5）。---有人如是說。
2.預(yù)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(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(huì)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(gè)別廠家采用于變頻自動(dòng)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(shí),根本就沒有缺水性負(fù)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(xiàn)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(fù)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(fù)壓。為避免此現(xiàn)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,罐中積蓄著管網(wǎng)壓力和罐中水位高度的勢(shì)能,當(dāng)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(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(dòng)或水錘壓力上升得到控制,對(duì)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(dòng)和停止的定速運(yùn)轉(zhuǎn)的2-3臺(tái)小泵進(jìn)行臺(tái)數(shù)切換控制來調(diào)節(jié)流量，每臺(tái)泵旁邊立一個(gè)小型空氣罐用于緩沖流量瞬變，這樣的設(shè)備在日本國(guó)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(dòng)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(huì)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(jì)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(dòng)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(huì)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(dòng)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(duì)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(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(dāng)壓力低于某定值，（例如，北京規(guī)定為0.2MPa時(shí)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(shí)進(jìn)行吸氣閥控制等。為了和這樣的簡(jiǎn)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(cè)管網(wǎng)壓力值，當(dāng)它低于規(guī)定下限值（例如0.2MPa）時(shí)，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(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(duì)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(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(zhǎng)阻尼時(shí)間，把瞬變流態(tài)造成的壓力波動(dòng)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(gè)緩沖的空間，例如，當(dāng)壓力0.22Mpa時(shí)約束水泵不再升速，使水泵在管網(wǎng)特性曲線的作用下自然地改變工況。管網(wǎng)常常會(huì)自然恢復(fù)壓力。從而減少了突然停泵次數(shù)，這對(duì)于管網(wǎng)壓力相對(duì)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(jì)算方法等問題在（注1）及（注6）文中已有論述。
流量的監(jiān)測(cè)可以使用流量計(jì)。但流量?jī)x表價(jià)格昂貴，維護(hù)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(qū)、樓宇用的無負(fù)壓供水設(shè)備可用壓力儀表檢測(cè)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(jì)時(shí)提不出來或計(jì)算不準(zhǔn)確,所以需要現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)測(cè)，這樣就加大了現(xiàn)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(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(shí)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(dòng)，軟停止，臺(tái)數(shù)增減時(shí)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?？刂频哪康?，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(xiǎn)，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(dòng)的雙向擾動(dòng)，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(jiǎn)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(dòng)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(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，停電后復(fù)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(jī)死水時(shí)間過長(zhǎng)等人性化的事故自處理和自啟動(dòng)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(dòng)了無負(fù)壓供水設(shè)備向無人值守、免維護(hù)、長(zhǎng)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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