变频调速技术在箱式无负压给水系统中的应用

一、前言：

      箱式无负压给水系统水泵是城市给水系统中最主要的耗能设备，根据对多个送水泵房中运行水泵的调查发现，大多数水泵的实际运行扬程小于水泵的铭牌扬程，有的甚至相差30％以上。因此导致了水泵运行效率降低，能源浪费严重，电机时常超负荷运行，产生这种现象的原因除市政基础设施应具有超前性、水量预测偏大以外，选泵方法不合理、水泵搭配不当也是重要原因之一。

      目前给水管网大都为无水塔直供管网，现有规范规定按最高日最高时流量来计算扬程选泵，而在最高时以外的绝大多数工况下，其所需扬程低于最高时计算扬程。而当最高时工况下的水泵工作点在高效区时，则水泵在平时大部分时间工况点将会移至高效区之外，从而水泵运行效率较低，造成能量的浪费。改进的方法是选择水泵时，其扬程依据主要应以平均时用水量来计算扬程，水泵台数不宜太少且应不同型号的水泵相互搭配。本文将通过实例来探讨如何恰当选用水泵降低能耗以适应城市用水量变化的需求。

 

二、箱式无负压给水系统实例：

      某一水厂原设计供水能力10万M3/日，送水泵房选用5台单级双吸中开式离心泵，分别为RDL500—790AIS水泵3台，水泵扬程57.5M，流量3084M3/h，配用电机功率630KW；14sh—9B水泵2台，水泵扬程55M，流量1080M3/h，水泵效率78％，配用电机功率250KW；目前城市实际需水量在2.6－－-3.6万M3/日之间，小时流量在1600M3/h－－3000M3/h之间，水泵出口压力在0.4MPa左右，时流量在2000M3/h左右全年有8个月时间。

      1、存在问题：由于原设计水量偏大，目前平时一般是开1台小的水泵即14SH—9B即可满足需求，由于原设计水泵扬程偏高，实际需求扬程较低（出厂压力0.40MPa），当水泵出口阀门全部打开管网压力低时，水泵小时流量可达到1600M3/h，产生汽蚀现象，水泵效率严重偏离高效区，并且电机超负荷运行，电机发热，极易发生烧坏电机现象。当需水量达到1700－－2000M3/h时，就必须开2台小的14SH—9B水泵，这时2台水泵全部要关小出口阀门的办法来进行流量调节，以满足管网压力需求，这时2台水泵效率极低，大量的能量消耗在阀门上，并且阀门损坏严重。

      2、解决问题的办法：首先我们对14SH—9B进行改造，在不更换原有电机的前提下，重新选用1台KQSN400-N13水泵扬程45M，流量1632M3/h，水泵效率87％，这样平时开1台水泵即可满足用水需求，并且水泵也能运行在高效区；再次对原来大的RDL500-790AIS水泵进行改造(此水泵没有安装配套电机)，更换1台KQSN600-M13水泵扬程42M，流量2980M3/h，水泵效率85％，配用电机450KW，并且在此机组上安装变频调速装置，以适应各种用水量变化的需求，通过以上改造，完全可以适应今后3－－5年内城市用水变化的需求。 

 

水泵不同组合适应不同用水需求情况

序号

水泵型号

额定出水量(M3/h)

实际出水量(M3/h)

需求水量(M3/h)

水泵组合情况

备注

 

1#

14SH-9B

1080

1200-1600

1200-1600

1#

2#

KQSN400-N13

1632

1600-2200

1600-2200

2#

3#

KQSN600-M13

2980

1700-3400

1700-3400

3#

安装调速装置

3400-4500

2#+3#

KQSN600－－M13型水泵性能曲线图

N400-N13型水泵性能曲线图

 

3、箱式无负压给水系统能量消耗计算： 

      依据供水水量的不同，在扬程40M的条件下，根据水泵的性能曲线，电机效率按92％计算，按照公式W＝QH/102η(KWh) 分别计算改造前后水泵的单耗，计算结果见表，从表中可以看出改造前后的效果。 

 

式中　Q——泵站出水量(L/s)； 

H——水泵的实际运行扬程(M)； 

η——水泵综合效率，η=η1·η2 

η1——水泵运行效率； 

η2——水泵电机效率； 

 

箱式无负压给水系统水泵机组改造前后能量消耗比较

用水量需求（M3/h) 

1200-1600

1600-2200

1700-3400

 

改造前

水泵型号

14SH-9B

14SH-9B+14SH-9B

14SH-9B+14SH-9B

 

配用电机(KW)

250

250+250

250+250

其中KQSN600-M13更改为调速

 

单位电耗(KWH/M3)

0.164

0.312

0.299

 

改造后

水泵型号

KQSN400-N13

KQSN400-N13

KQSN600-M13

 

配用电机(KW)

250

250

450

 

单位电耗(KWH/M3) 

0.141

0.143

0.143

 

三、结论 

根据以上计算分析结果，提出如下合理选择水泵的原则： 

1、目前我国绝大多数城镇供水管网均不设水塔，由泵站直接供应满足用户用水需求，为了适应不同用水量的需求，选用水泵台数不宜太少，且应大小型号水泵合理搭配，实行阶梯式供水，以保证城市用水需求。 

2、采用大小型号水泵搭配，小型号水泵流量应为大泵流量的40％～60％，太小或太大都会使水泵不同组合间的水量阶梯不均匀，从而降低水泵运行效率。 

3、在可能的情况下对电机尽量采用调速装置，并且调速装置应安装在较大的机组上，调速的范围应控制在60％－－100％之间。

 

箱式无负压给水系统概述

      箱式无负压给水系统是在组合式不锈钢水箱和变频恒压供水的基础上开发研制的，并加装防负压、防倒流、防水质恶化等控制装置。该设备与普通的变频供水设备和无负压供水设备相比，具有节能显著、噪音低、占少、可靠性高等优点，是目前最先进的供水模式。

      箱式无负压给水系统是在原有的变频恒压供水设备与无负压供水设备基础上升级开发而来的第七代品，它由不锈钢水箱、专用水泵、智能变频控制柜、无负压装置、增压装置、引水装置和稳压罐等组成，是由计算机技术、变频技术与电机泵组合的新型的机电一体化供水设备。以满足城市供水管网中，抽水时既不产生负压，又有一定的调蓄能力，高峰期间不断水停水的要求。采用微机控制变频泵以一恒定的转数运行利用自来水原有的压力能确保用户所需要的压力恒定。具有节能、环保、噪音低、供水压力恒定等优点。

      主要技术指标增压压力范围、流量和节能指标，均高于国内其他报道的产品，且结构设计具新颖性，总体水平达到国内领先，国际先进水平，因此，在市场上具有极大的竞争优势。归纳的说，智能化箱式无负压供水设备设备主要特点是保护管网压力、调节峰值用水，节能、安全、环保、供水高品质(解决了二次供水污染)和低噪音。

      随着二次供水加压技术的发展，箱式无负压给水系统从根本上解决了这些问题。据“供水设备推广中心”的资料显示，箱式无负压供水设备不需建造水塔，投资小、占地少，采用水气自动调节、自动运转、节能与自来水自动并网，停电后仍可供水，调试后数年不需看管。比建造水塔节约投资70%，比建造高位水箱节约投资60%，大大节约土建投资。

      箱式无负压给水系统广泛用于企事业单位、住宅区及农村的生产、生活、办公用水。供水户在20－2000户。日供水量在20－50000m3，供水高度达150米，即50层楼房。

 

箱式无负压给水系统工作原理

      当公共供水管网≤0.2Mpa时(可自由设定0.2—0.4Mpa)无负压装置关闭，无负压进水装置打开，由水箱供水，反之当公共供水管网压力≥0.2Mpa时，延时10分钟(时间可调整)无负压装置打开无负压进水装置关闭，由公共供水管网供水。无负压水箱内存储的水通过智能控制每6小时循环一次确保水质新鲜、纯净。

      箱式无负压给水系统的变频泵以一定的转速运行，利用自来水原有的压力实现叠加能确保用户所需的压力和压力恒定。无负压水箱变频泵的进水口与无负压装置和无负压进水装置连接，通过无负压装置的开启与停止达到自来水管网不产生负压在无负压装置起停的同时?无负压进水装置会做出与无负装置相反的动作。

      自来水管网停水无负压装置自动关闭，水箱的无负压进水装置自动打开由水箱供水。当水箱液位低至一定程度时，无负压进水装置自动关闭，设备自动停机，复电时自动投入运行。

 

箱式无负压给水系统具体说明

1.保证管网压力：调节峰值用水，水箱入口处采用了智能化的电磁阀来控制进水压力及水位。当管网压力下降加压泵从水箱取水时，可通过智能控制，当水箱水位低于一定液位时，再打开电磁阀从管网中放水，此时保证取水口一定的压力。此措施一可以避开高峰用水，起调峰作用，二是避免了普通水箱的零压力泄水，对管网压力是一个很好的保护作用。

2.配置独特：“供水设备推广中心”所介绍的设备，都是引领供水设备发展的前沿，均采用引进国际先进技术和关键设备，并结合专用泵。它用水冷式电机、水冷式轴承、全封闭绝对滴水不漏，噪音低于50分贝，防止水箱空间小，常规电机发热而烧坏电机和设备。

3.运行可靠性：当用水高峰时，或自来水停水时，由水箱供水，大大提高用户用水的可靠性，完全符合自水供水规范。

4.环保无污染：此成套设备中水箱、水泵、管路及阀门等涉水材料均采用食品级不锈钢材料，密封供水，不会产生二次污染，卫生环保。

5.节能：当自来水压力能满足用户用水要求，增压泵通过变频控制处于休眠状态。当非高峰用水时，自来水压力又达不到用户用水压力，水泵可以在自来水水压（0.2—0.5MPa）的基础上叠加增压，差多少补多少充分利用余压节约电能，节能效果显著。

 

箱式无负压给水系统适用范围

1.适用地域范围：适用于城市管网压力较充足的地区加压给水

2.适用工程类型：工矿企业的生产、生活用水、自来水厂的大型给水中间加压泵站

3.适用工程部位：给水二次加压系统

4.其它适用范围：新建、改建、扩建住宅楼、办公楼、宾馆、饭店等公共建筑生活用水

5.使用单位类型：设计单位、施工单位、监理单位