疊壓供水設備的優化設計研究

張樂樂

（晉能控股煤業集團馬脊梁礦， 山西 大同 037027）

引言

疊壓供水形式是一種新型供水方式，該技術是在傳統變頻恒壓供水系統上發展起來的，包含有穩壓平衡器、液位控制器、變頻泵及負壓消除器等系統組件，具備應用市政余壓、降低水質二次污染等傳統二次加壓供水系統不具備的優點[1]。

1 疊壓設備的運行工況

1）疊壓設備工況。市政管網壓力能夠滿足設備進水壓力的最低要求，卻達不到水泵出口端設定的恒壓值，當位于設備入口處的壓力傳感器檢測到入口水壓能滿足上述要求時，可通過加壓措施來穩定出口端的壓力恒壓值。當用水量較少時，不啟動變頻水泵，而是利用小型隔膜式氣壓水罐提供所需的流量。當用水量增加至氣壓水罐穩壓時，是通過PLC 控制啟動變頻水泵，并根據進、出水側壓力差值通過變頻技術調節水泵轉速，達到所需的流量[2]。

2）使用旁通管供水工況。當設備的入水側壓值高于恒壓值時，水泵停止工作，開啟旁通管閥門，此時應用市政壓力開始進行供水[3]。

3）故障停止供水工況。當設備的入水側壓值小于恒壓值時，系統發出報警信號，水泵停止工作，開啟旁通管閥門，利用市政供水，待恢復進水側壓力后，解除報警，重新啟動水泵[4]。因此，管網疊壓供水方式相比于傳統的蓄水池給水方式，疊壓供水系統與市政管網直接串接，可充分利用市政管網的壓力，無須修建蓄水池，設備占地小，相對投資也減少。系統屬于全封閉式，避免外界的污染，一體化設備具有較高的可靠性[5]。因此，本文提出了三種型號水泵組合新型控制方法，并與傳統控制方法進行對比研究，進而達到節能目的。

2 疊壓供水設備的組成及工作機理

疊壓供水體系組成部分包含有氣壓水罐、防負壓裝備、壓力傳感器、水泵及自動控制體系，由于穩流裝置容積的有限性，為防止生活用水的倒流，通常在該供水系統前安設防止導流器裝置。此外，為防止水泵混入給水管道中的雜質，造成葉輪損壞，還需要安設過濾器裝置[6]。

對于疊壓供水方式，無低位水池，水泵具有一定數值的進水水壓（通常≥0.2 MPa），因此，水泵所需的揚程為：

式中：H2為供水體系中水泵的揚程，m；H1為應用低位水池進行供水的水泵揚程，m；h1為供水體系中水泵進水處的靜水水位，m；h0為市政管網接入位置處的靜水水位，m；∑h 為水泵入水口至市政接口處的水頭損耗，m。

由式（1）、式（2）可知，該供水設備能夠節省的部分就是h1[7]。因此，只要對市政管網的壓力進行很好的利用，就可達到供水節能的目的。

疊壓供水設備引入變頻恒壓控制，目的就是高位水箱取消后，不僅可保證水壓的穩定需求，降低因市政管網引起的壓力波動，并對水泵實行變頻調控，從而達到泵組能夠自由切換并滿足出水要求。在恒壓控制中，對水泵進行增減適當控制就可實現水泵組合運行高效的目的[8]。

3 疊壓供水設備的優化設計

疊壓供水設備的進水端一般安裝有穩流罐，且穩流裝置的邏輯調控也相對簡單。對于水泵組合的控制方法，尤其是三種泵型組合的情形下，是依據設計配泵情況決定的。在相關研究[9-10]中，采用型號不同水泵運行高效區間的特征可知：對于泵型的不斷增大，大型號水泵變頻運行的高效區間可以將同一型號小型水泵聯合運行的區間進行覆蓋，所以不宜選用同一種水泵組合型號。對于泵型的逐漸增大，水泵變頻運行的流量適用區間也相應地增大，遇不同型號泵運行的情形下，宜選用大型號泵進行變頻。當采用同種型號水泵相組合時，水泵聯合運行的高效區間顯著小于單泵變頻區，因此，在用水量使用高峰期時，最好能落入水泵聯合運行的高效區間內。而當設計流量較大時，宜選用三種泵型，且三種泵型運行的高效區間能夠覆蓋的范圍明顯大于兩種泵型的情形。

本文中，泵1、泵2 和泵3 分別對應水泵CR15、CR20 和CR32，為小、中、大三種泵型。傳統疊壓供水設備水泵組合的控制模式是“水泵型號從小到大，先啟先停”，其控制邏輯圖如圖1 所示。在采用單臺變頻器時，轉換緩解壓力振蕩發揮著很好的功效作用，但是對于三種型號水泵組合運行的工況，不節能。

圖1 三種泵型組合傳統控制方法邏輯圖

本文先對大、中、小三種型號水泵組合的變頻恒壓運行工況進行分析，得到圖2 所示的三種型號泵組合運行高效區間示意圖。

圖2 1 臺CR15、1 臺CR20 和1 臺CR32 三種泵型組合運行高效區間示意圖

由圖2 中的陰影部分可知，三種泵型組合可運行的高效區域有CR15、CR20、CR32 分別位于單泵運行高效區域ABDC、A'B'D'C'、A"B"D"C"。CR32 與CR20聯合高效區間為A2C'2N'2，而CR20 與CR15 聯合高效區間為A1C'1N'1，CR15、CR20 與CR32 聯合高效區間為A3C'3N'3。因此，對于高峰流量和夜間工況可選用CR15 小泵，對于白天流量要求較大的工況可選用CR20 中泵，而選用CR32 大泵也可在白天工況運行，三種型號的水泵實現全天供應的效果。

對CR15、CR20 與CR32 三種泵型組合運行的傳統控制模式工況進行分析，得到圖3 所示的高效區間示意圖，從圖3 中的陰影部分可知，單泵CR15 變頻的高效區間是ABCD，CR20 與CR15 聯合高效區間為A1C'1N'1，CR15、CR20 與CR32 聯 合 高 效 區 間 為A3C'3N'3，由此可知，傳統控制模式下水泵高效運行區域較小。

圖3 CR15、CR20 與CR32 三種泵型組合運行傳統控制模式下的高效區間示意圖

對CR15、CR20 與CR32 三種泵型組合運行新型控制模式下的工況進行分析，得到圖4 所示的高效區間示意圖，從圖4 中的陰影部分可知，單泵CR15 變頻的高效區間是A'B'D'C'，單泵CR32 變頻的高效區間為ABDC，CR32 與CR20 聯合高效區間為A2C'2N'2，CR15、CR20 和CR32 聯合高效區間為A3C'3N'3。對比圖3 和圖4 可知，新型控制方式下，水泵運行的高效區間范圍更大，可以滿足用戶所要求的運行工況。

圖4 CR15、CR20 與CR32 三種泵型組合運行新型控制模式下的區間示意圖

對于傳統的泵型控制模式是先對小型泵進行啟動，緊接著是依次增泵，這樣會造成水泵高效區間范圍內流量上的不連貫，而新型泵的控制邏輯圖如下頁圖5 所示。在新型方式控制邏輯中，CR32 大泵和CR15 小泵變頻運行起到小流量供給的作用，而CR20中泵無變頻運行。

圖5 三種泵型組合的新型控制方法邏輯圖

4 結論

針對疊壓供水設備水泵控制方法不科學，會造成能耗大及設備穩定性差等問題，本文提出大中小三種型號水泵組合的新型控制方法，并與傳統控制方法進行對比研究，結論是：新型邏輯控制模式可使水泵在高效區運行很長的時間，且水泵可運行高效區域更大，基本可以覆蓋用戶所需的運行工況，相比傳統控制方式，能實現節能功效。