無負壓供水系統在離石供水加壓泵站改造中應用

郭加強 李興唐 郭小凡

(呂梁市供水服務中心，山西呂梁 033000)

無負壓供水系統在離石供水加壓泵站改造中應用

郭加強 李興唐 郭小凡

(呂梁市供水服務中心，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壓設備取代傳統模式的高揚程水泵和清水池，改造后的系統能夠有效控制其壓力和流量，實現恒壓供水，而且節能，并對水錘、空氣等問題有所改進，優化了加壓站的供水系統。

加壓站，無負壓設備，恒壓供水，節能

0 引言

離石區位于山西省西部，呂梁山中段西側，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，生產工藝是從城市管網接入水源送至200m3接水池、經加壓泵房加壓后送至用戶，在管網末端最高點設有500m3高位水池用來保持供水不足時壓力的平衡，實行24 h連續運行的傳統增壓模式，日產水量在1 500 m3～1 800 m3，供水區域高差39 m，供水運行系統由2臺離心式水泵一用一備工頻運行，噸水耗能0.34度/t，運行人員8人，以4班3運轉的值班模式，承擔著市區龍山2萬余人口的生活用水任務。

因人工操作常出現斷水和溢水現象，為了節約人力費用，降低改造成本，提高供水能力和服務水平，根據進水水壓和用水量的實際情況，計劃分為不同時段予以增壓，在小流量時減少了泵站開泵臺數，利用了部分進水壓力增壓，從而降低運行成本和用戶初期成本，達到穩壓供水的效果。因此選用具有合適流量、揚程、性能的無負壓設備，與市政直供管道連接，把市政管道中原有壓力引入無負壓進水端，經設備疊壓增壓后傳輸給下端用戶，同時利用末端500 m3高位水池水在夜間低峰時停止水泵運行供給用戶，達到滿足用戶用水和控制調節供水的目的。

1 改造方案的整體設計

系統主要由中央控制器、ABB變頻器、文本顯示器組成，功能如下:

1)中央控制器實現控制功能。

壓力控制，通過壓力傳感器送入的數據，進行PID調節控制轉速;流量控制，通過流量變送器采集的數據和設定的流量值，控制加泵和減泵;定時切換，通過計算累計運行時間，保證每臺泵的動作時間基本一致;故障處理，采集電機過熱故障信號，故障時可方便的進行切換。

2)通過變頻器實現對水泵轉速的控制。

3)通過端子控制接受中央控制器指令，執行對水泵轉速的控制，保證恒定的供水壓力。

4)通過文本顯示器實現人機交換，并可實現現場參數的顯示、設備運行狀況顯示、故障記錄顯示、設備參數設定。

2 改造方案具體設計

2.1 無負壓設備運行原理

1)設備采用微機變頻技術，通過穩壓補償系統使設備與市政配水管網直接鏈接。根據用戶實際高差設定出水點的工作壓力;工控計算機實時檢測配水管網實際壓力值，通過實際壓力值與設定壓力值對比比較，降低或升高變頻器的頻率。正常供水時，水泵從穩壓補償罐來水調節區中取水增壓，供水調節區通過雙向補償器對瞬時高峰用水量差值補償，保護了市政來水管網的壓力不受干擾。供水調節區在正常供水時，通過雙向補償器與市政供水管網連通，能夠有效保護市政管網壓力穩定，控制系統獨特設計和雙腔罐體的設計，能夠避免壓力管道流速的急劇變化所產生的水力沖擊現象。

2)對加壓泵站而言，由于市政供水流量變化較大，且供水時段較集中，工頻切換水錘效應較大，會使水泵軸承機封損害較大，所以采用穩壓供水系統。使每臺水泵通過變頻調速控制其轉速，可以達到恒壓供水，控制水泵的運行數量可以滿足用水流量，并可選擇時段設定不同的給水壓力。故其優點如下:

a.變頻啟動電流由小逐漸到大，且啟動平穩，對電網的沖擊小。

b.由于水泵轉速低于工頻轉速，有利于電機和水泵使用壽命。

c.停機電流由大逐漸到小防止了停機時的水錘效應。

d.分時段供水，可降低其低峰時的浪費。

充分利用500 m3高位水池緩解和調節作用，利用水池水位設定高中低控制點調整頻率、泵的啟動、停止，特別是在夜間供水低峰時水位滿后停泵時間保持較長并滿足了用戶用水需求，節能效果明顯。

2.2 方案中的參數選擇

根據工程概況所給數據:流量Q=100 m3/h，揚程H=50 m，分析水泵性能曲線后，選擇了水泵為3臺格蘭富立式雙吸泵，相應流量和揚程時運行于水泵高效區，即使在常規流量下，水泵經過變頻依然在40 Hz左右運行，保證了水泵最大可能在高效區運轉。

2.3 系統組成元件

選用3臺CR90-3水泵:Q=100 m3/h，H=50 m，N=22 kW，兩用一備。系統利用原有500 m3水池1個;設備進水口徑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排氣閥以防止水錘和空氣破壞。

2.5 方案中的流速設計

根據《室外給水設計規范》和《給水排水設計手冊》［1-5］等資料，依據水力學中的流量Q、流速V、管徑D的關系:

供水管網的流速最高不宜超過2.5 m/s，不淤流速應大于0.7 m/s。通常，各城市采用的經濟流速Ve范圍如下:

該加壓站管網管徑在100 mm～300 mm之間，因此選擇經濟流速Ve=0.5m/s～1.1 m/s。

2.6 方案中的節能降耗措施

1)變頻調速技術在水泵中應用發展，可根據水泵負載特性來調整電機轉速和啟動時間長短等參數，獲得節能特性。在供水泵站采用變頻無負壓技術，可以充分利用市政管網原有壓力，疊加增壓，達到了節能和穩定運行的目的。供水無負壓變頻的節能降耗原理，就是離心式水泵輸出特性，取決于水泵的種類和供水管網系統的阻力特性，見圖1，圖2。

從節能的角度出發，改造原存在于工頻運行設備，較多利用變頻調速改變水泵轉速，以滿足工頻調整頻率時對性能的要求。因此，水泵調整轉速時的H—Q曲線改變為圖3，水泵的性能特性曲線N與管道性能曲線DE的交點A0為水泵正常使用時的工作點。

2)通過節流控制、變頻、無負壓的比較，說明無負壓的節能工作原理。

節流控制:在圖4中阻力曲線由DE改變為DE1是通過控制閥門的開啟度，以達到控制供水摩擦阻力的目的，摩擦阻力變大后，揚程則由H0上升到H1位置，運行工況點從A0變為A1位置，流量由Q0降低為Q1，達到節流目的。

圖1 離心泵特性曲線（一）

圖2 供水管網的阻力曲線（一）

圖3 離心泵特性曲線（二）

圖4 供水管網阻力曲線（二）

變頻調速控制:當管網性能曲線不變時，改變水泵轉速將N變為N1，工頻點的位置由A0點移動到A2點，此時輸出流量與使用節流控制時的輸出流量相同，但揚程由H0降到H2，與節流控制相比，揚程更低，更節能。

無負壓設備:就是利用了市政管網原有的壓力，即水泵進口壓力加水泵揚程才等于普通變頻的揚程，因此水泵揚程低于普通變頻揚程，兩種工頻下水泵揚程差為Δh=h-h1。速度從n變為n1，工頻A0點移到A3點，揚程從H0降到H3，流量將從Q0減小到Q1，與用節流控制時輸出的流量相同。

以上三種方法運行時A1點、A2點以及A3點的泵軸功率分別為:

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

另外，變頻調速控制時，由水泵的葉輪相似定律，當轉速從n0變為n2時，Q，H，P大致變化關系為:

2.7 改造前后24 h運行參數對照

改造前后噸水單位耗電和供水量發生巨大變化，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;噸水節能降低了44.34%;供水量提高了62.1%。改造前后24 h運行參數對照表見表1。

3 無負壓與高位水箱相結合供水模式的優勢

供水方式的優點是:

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，或設定時間段參數，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壓力不會下降。

表1 改造前后24 h運行參數對照表(2013年6月)

2)水泵不需要24 h運轉，中間間歇停機時間長，節能效果明顯。建筑用水的特點就是不均勻性強，變化系數大。利用高位水箱供水，可以有效地解決這個問題。水泵如果選型合適，將始終在最高效的工頻區間運轉，并且利用高位水箱，低位起、高位停的控制邏輯，可以使下端無負壓設備運行時間較短，節能效果明顯。

3)有效的利用了市政管網壓力，疊加增壓，差額補償。即使上端市政管網無水，利用變頻模式向高位水箱供水也可以超越其他無負壓設備的高效節能性。

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

5)水箱內部裝有智能化增壓裝置，在水泵切換時，保持用戶管網壓力穩定，水泵處于高效區運行。控制系統中增加時間控制器，定時對水箱水源循環使用，保證水箱中水質新鮮。

6)采用數據光纖實現了無人值守遠程控制、監視，管網壓力平穩故障率減少，運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 結語

采用無負壓技術，智能增壓裝置運行時，市政進水和水箱儲水同時作為取水水源。當市政管網壓力充足時，從市政管網取水向高位水箱供水;當市政管網供水不足時，智能增壓裝置啟動，從水箱取水，補充市政管網供水的不足，保證外網不出現無負壓。滿足用戶設定值后再送至高位水箱，如未達到設定值高位水箱可通過已存水，傳輸給用戶。當高位水箱滿水后(高水位)水泵自動停運，高位水箱處于低水位時，下端無負壓水箱設備自動開啟，設備自動運行，實現了無需人員值守，是一個供水穩定，投資少，逐步調節增壓的供水方案。

［1］ GB 50015—2003，建筑給水排水設計規范［S］.

［2］ GB 17051—1997，二次供水設施衛生規范［S］.

［3］ GB 50242—2002，建筑給水排水及采暖工程施工質量驗收規范［S］.

［4］ GB 50013—2006，室外給水設計規范［S］.

［5］ GBJ 54—83，低壓配電裝置及線路設計規范［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(1960-)，男，工程師; 李興唐(1972-)，男，工程師; 郭小凡(1988-)，女，助理工程師