管網直聯無負壓供水系統的設計

徐巍

（南京輕紡產業（集團）有限公司，江蘇 南京 210018）

0 引言

通常，城鎮市政管網供水壓力都是以滿足普通多層建筑要求來設定水廠供水壓力的。當今城市建筑高度快速增長，多數建筑都必須采用二次加壓供水方式滿足供水需求。

我國城市二次增壓供水方式經歷了“蓄水池、加壓泵、水塔”、“蓄水池、加壓泵、高位水箱”、“蓄水池、加壓泵、氣壓罐”和“蓄水池或蓄水箱、變頻調速加壓機組”等四個發展階段。目前南京“蓄水池、加壓泵、水塔”供水方式基本絕跡，其他三種二次加壓供水方式都有使用，現采用較多的是“蓄水池或蓄水箱、變頻調速加壓機組”供水方式，而直接式管網疊壓供水方式則剛剛起步。

在管網上直接水泵加壓，以往一直是供水系統的禁區。其主要原因是:在供水能力不足以滿足高峰用水量時，需要分散的貯水池可起到調峰的作用;水泵直抽會在進水口產生負壓（或稱真空現象），出現個體超量取水，使管網壓力陡降，波及相鄰用戶的正常用水。

如果能從技術上解決這兩個問題，管網直接水泵加壓供水方式則是可行的。

隨著國民經濟的高速發展，近年來城市供水系統通過水源工程、水廠建設、管網更新改造等項目，大大提高了供水能力，已可以滿足高峰用水量的需求，無需再依賴用戶的貯水池調峰。在供水能力已具備直接串連泵加壓的基礎條件下，還需要通過技術和設備的改進，消除管路中負壓的產生條件，使其根本就不產生負壓。

依照這一思路，應用智能化控制和變頻調速等高新技術，實現無負壓的控制目標就不難做到。這樣，管網中合格的自來水可以在全密閉的管路中直接送到用戶的水龍頭，水體不暴露、不儲留，從根本上消除了二次污染。同時，管網的壓力可與水泵水頭疊加利用（即管網有多少壓力都能利用），從而大幅度降低了水泵功耗，節省了電能（50%-70%），降低了加壓成本，使用戶得到了經濟上的實惠。

管網直聯無負壓供水方式是在傳統變頻恒壓供水系統的基礎上發展起來的一種新型供水方式，它不是水泵、管件閥門、罐體和控制柜的簡單組合，而是集機械、電子、信息、自控技術為一體的高科技產品。隨著二次增壓供水概念和無負壓技術研究的深入，目前已進入“管網直聯無負壓供水方式”的新時期。

1 傳統供水方式和無負壓供水的比較

a）傳統的變頻恒壓供水方式的原理是先將原有壓力的自來水放到低位水箱中，變成零壓力的靜水，再由成套變頻調速泵組從零壓力加壓至各個用水網點。這種供水方式雖然能滿足用水壓力的穩定性和可靠性，但存在以下不足:

1）浪費能源。自來水原有的壓力不能充分利用，二次加壓系統又從零開始加壓，造成了能源的浪費。

2）運行費用高。由于加壓泵從水箱中抽吸的是無壓水，與加壓泵直接從自來水管網吸水相比，加壓泵的選型增大，運行能耗和運行費用提高。

3）一次性投資大。傳統的供水方式都設有容積較大的地下蓄水池或蓄水箱，不僅需要大量的土建投資，而且由于加壓泵的選型增大，設備的購置和安裝費用增加。

4）占地面積大。修建蓄水池或蓄水箱都需占用土地或建筑物面積。

5）修建蓄水池施工難度大，工程量大，施工周期長，需投入大量的人力和物力。水池最容易出現滲漏，而一旦出現滲漏現象，往往難以修復，后期維護困難。

6）水質清潔難以保證。由于低位水箱的材質問題、以及水流會產生死角，這些都容易滋生藻類;且低位水箱屬敞開式結構，與空氣相通，容易造成二次污染，需定期清洗消毒。

b）無負壓供水（又叫管網疊壓供水）設備串接在自來水管網與用戶管網之間，通過真空消除器破壞負壓形成，保證水泵運轉抽水過程中不對自來水管網產生吸力。

無負壓供水與傳統供水相比具備以下優點:

1）節約能源。無負壓供水設備與自來水管網直接串接，在自來水管網剩余壓力的基礎上疊加不夠部分的壓力，能充分利用自來水管網余壓，不造成能源的浪費。

2）設備運行成本低。由于加壓泵的選型小，且采用多泵制，在用水低谷期，一臺泵已足夠滿足用戶用水水壓與流量的要求，用水高峰時才會啟動其他泵，因此降低了運行成本。與傳統給水設備比，節能達50%;不需定期清洗消毒，不浪費水資源和人力資源，節約了維護費用。

3）節省投資。由于無需修建大型蓄水池或蓄水箱，節省了土建投資;又由于利用了自來水給水管網的余壓，因此加壓泵的選型較傳統的給水方式小，減少了設備投資。

4）占地面積小。因為省去了蓄水池或蓄水箱，因而縮小了占地面積。

5）管理方便、簡單。無負壓供水設備為數字控制全自動運行，停電停水時自動停機，來電來水時自動開機，便于管理。

6）環保衛生、無二次污染。無負壓供水設備的運行全密封，可防止灰塵等異物進入給水系統;負壓消除器的ZP膜濾裝置可將空氣中的細菌擋住，穩壓平衡器采用食品級不銹鋼制作，不會滋生藻類，滿足人們對水質高標準的要求。

2 無負壓供水系統工作原理

節能減排是當今世界熱門趨勢，無負壓供水設備充分利用自來水管網的原有壓力能源，在同樣供水需求的情況下，可以選用功率相對較小的水泵及控制設備，相比較于傳統的帶水池的供水設備可節約大量的電能運行成本及投資成本。

由于直接在自來水原有壓力上加壓，所以自來水壓力與設備耗能緊密聯系。自來水壓力越低，耗能越多;自來水壓力越高，耗能越少;自來水壓力達到用戶需求時，設備停止無耗能（此種情況很少出現，只有在用水量很少的夜間，用戶水量少，由無負壓配套氣壓罐貯存的水短時調節）。

市政管網壓力通常在2.5 kg左右，能夠滿足1-5層住宅需求，再往上就要通過泵加壓才可滿足。所以設計中，在當地自來水供水壓力范圍內的低層用戶都由自來水市政管網直供;自來水市政管網壓力供不上的用戶通過無負壓增壓供水，無負壓出口的氣壓罐只能調節少量水量，如果實際用水量不太大，為避免主泵頻繁啟動，夜間小流量時可配置穩壓泵，確保用水安全。

自來水市政管網短時不能滿足用水量需求，由無負壓穩流調節罐內的貯水補給;市政管網長時間不能滿足用水量需求，無負壓穩流補償器的貯水用盡后，設備自動保護停止，有水后自動恢復運行。

無負壓供水系統主要由穩流調節器、負壓抑制器、水泵、控制系統（變頻器、可編程控制器、壓力變送器等）和管件閥門等組成（圖1）。

圖1 無負壓供水系統示意圖

設備直接串接到市政管網上直接增壓，調節罐的真空消除是關鍵，依靠罐上真空消除器在罐內水被抽空時及時消除罐內真空，從而達到罐內外壓力平穩，由此不對市政管網造成負壓影響，不影響其他市政管道用戶的正常用水。

在市政管網與水泵吸入口之間的穩流調節器為密閉容器，此特制容器使自來水與空氣完全隔絕，從而保證了供水品質;穩流調節器主要實現整個供水系統增壓穩流功能，同時聯動負壓抑制器同時工作，保證整個系統安全運行。

無負壓供水系統工作原理（圖2）

圖2 系統工作原理圖

智能控制系統核心是可編程控制器，以及程序軟件的編制及設計。管網直聯無負壓供水系統采用先進的可編程控制器，根據采集的穩流調節器內控制信號，一方面微電腦程序控制水泵，保證設備運行中不產生流量突變，使連續性流態不被破壞;另一方面通過微電腦控制系統實時聯合控制穩流調節器和負壓抑制器動作執行部件自動調節，使穩流調節器內壓力平衡，抑制管網內負壓的產生。

無負壓供水基本原理是通過安裝在系統中的壓力檢測裝置將管網壓力信號與設定值進行比較，再通過控制器調節變頻器輸出，實施水泵的無極調速和調節水泵的運行數量，使系統水壓在水流量變化時，仍穩定在設定的范圍內。

3 無負壓供水系統的控制設計

a）系統主電路圖

主電路如圖3所示。接觸器KM1～KM3分別控制水泵電動機M1～M3的工頻運行，接觸器KM4～KM6分別控制M1～M3的變頻運行，KH1～KH3分別為M1～M3的過載保護用的熱繼電器。

圖3 系統主電路圖

在變頻運行方式中，三相電源經隔離開關接至變頻器的R、S、T端，變頻器的輸出端U、V、W通過接觸器的觸點接至電動機，每臺電動機的變頻和工頻兩個回路不允許同時接通。當電動機接通工頻回路時，變頻回路接觸器的觸點必須先行斷開。同樣從工頻轉為變頻時，也必須先將工頻接觸器斷開，才允許接通變頻器輸出端接觸器，所以KM1和KM4，KM2和KM5，KM3和KM6絕對不能同時動作，相互之間必須可靠互鎖。

b）PLC接線圖

PLC是無負壓變頻恒壓供水控制系統的核心，它要完成對系統中所有輸入信號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現以及對外的數據交換，它控制著整個系統的運行。在選擇PLC時，要考慮PLC的指令執行速度、指令豐富程度、內存空間、通訊接口及協議、帶擴展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。由于無負壓供水自動控制系統控制設備相對較少，因此PLC系統選用了德國SIEMENS公司的S7-200型主控模塊CPU224和模擬量模塊EM235。PLC的I/O接線圖如圖4、圖5所示。

系統采用循環變頻運行方式，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵在工頻恒速運行（或不運行），如果變頻泵連續運行超過設定時間（3 h），則要切換下一臺水泵，即系統具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。因此在同一時間內只有1臺水泵工作在變頻下，但不同時間段內3臺水泵都可輪流做變頻泵。考慮節能和水泵壽命的因素，各水泵切換遵循先啟動先停止、先停止先啟動原則。

壓力傳感器的信號送入模擬量擴展模塊，經轉換為數字量后，送至PLC

c）控制線路圖

系統對水泵操作設置了手動/自動控制功能、報警功能，并能顯示運行狀況。手動控制通常只在應急或檢修時臨時使用。系統控制電路圖如圖6所示。

圖中SA1為手動/自動轉換開關。在手動狀態，可以按鈕SB1-SB6控制三臺水泵的起停。在自動狀態，系統在PLC程序控制下運行。

d）變頻器的選擇

變頻器是系統控制執行機構的硬件，通過頻率的改變實現對電動機轉速的調節，從而改變出水量。系統選用ABB-ACS510變頻器，通過PLC模擬量模塊EM235輸出端子來控制變頻器的頻率，從而達到電動機轉速跟隨壓力給定，實現電動機的無級調速，使水量連續變化，保證管網水壓的恒定。

傳感器檢測水壓，壓力設定為系統的水壓期望值。壓力

圖6 系統控制電路圖

設定值和壓力反饋值送變頻器的PID回路，經PID運算后輸出給變頻器一個轉速調節信號。

e）TD400文本顯示器

供水壓力及市政管網進水狀態等參數需實時顯示或設定，采用一臺西門子TD400文本顯示器作為人機界面。該顯示器用輸入鍵可方便地對過程參數進行設定和修改，并提供密碼保護功能。通過對TD400進行編程組態，可方便地進行壓力上下限設定;動態顯示當前管網壓力、水泵運行狀態及報警提示信息，便于工作人員監測。

f）系統自動控制工作流程

無負壓供水系統自動控制工作流程如圖7所示。

圖7 系統自動控制工作流程圖

當啟動設備使其在自動控制狀態運行時，PLC自動開機自檢，在確定電壓正常、進水壓力正常、無各報警信號后，首先啟動水泵Ml進行變頻工作，根據壓力傳感器測得的用戶管網實際壓力和設定壓力的偏差調節變頻器的輸出頻率，控制變頻泵的轉速，當輸出壓力達到設定值，其供水量與用水量相平衡時，轉速才穩定到某一定值，這期間水泵Ml工作在調速運行狀態。

當用水量增加水壓減小時，壓力傳感器反饋的水壓信號減小，偏差變大，PLC的輸出信號變大，變頻器的輸出頻率變大，所以水泵的轉速增大，供水量增大，最終水泵的轉速達到另一個新的穩定值。反之，當用水量減少水壓增加時，通過壓力閉環，減小水泵的轉速到另一個新的穩定值。

當用水量繼續增加，變頻器的輸出頻率達到上限頻率50 Hz時，若此時用戶管網的實際壓力還未達到設定壓力，且持續5 min以上（以便消除水壓波動的干擾），則水泵Ml由變頻轉工頻，啟動下一臺水泵M2變頻運行，系統通過對水壓的閉環調節，直到水壓達到設定值為止。如果用水量繼續增加，滿足增加水泵的條件，將繼續發生如上轉換，將另一臺工頻泵M3投入運行，變頻器輸出頻率達到上限頻率50 Hz時，壓力仍未達到設定值時，控制系統就會發出水壓超限報警。

當用水量下降水壓升高時，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網的實際水壓仍高于設定壓力值，且持續5 min以上，這時停止先啟動的工頻水泵，保證先啟動先停止，系統通過對水壓的閉環調節，直到水壓達到設定值為止。當用水量繼續下降，并且滿足減少水泵的條件時，將繼續發生如上轉換。

當沒有進水時即進水壓力為零時，設備自動停機，以保護水泵及電動機。

當出現用戶用水量增大或爆管現象時即水泵全部啟動且時間超過設定的要求還是達不到設定的壓力時，自行報警。

當斷電后，再來電時，PLC通電自檢后，啟動設備按停止前的設定壓力進行恒壓供水。

4 結語

選用可編程序控制器（PLC）為主控器，變頻器為執行機構，利用真空消除技術，完成了基于PID的管網直聯無負壓供水系統的軟硬件設計。實現管網壓力的準確采集，自動調節水泵的轉速和多臺水泵的投入和退出，使系統主干管出口端的壓力基本保持在設定范圍內。其優點是系統啟動平穩，運行成本低，節能環保，管理方便，易于維護，延長了泵和閥門等設備的使用壽命。該無負壓供水系統投入運行后，各項指標達到了設計目標，滿足了用戶對供水品質和供水系統的可靠性要求。

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