变频自动给水设备消除负压的常见方法
2013/5/4 9:50:14 点击：
变频自动给水设备消除负压的常见方法
自1998年变频自动给水设备面市以来, “无负压”的技术装置和产品不断涌现,五花八门的专利申请已近百件。一项看来简单的应用技术,令人有深奥和神秘的感觉。但如果我们不去管那些机关巧妙、各项专利内容以及各自的技术秘密或诀窍,仅对目前已上市的变频自动给水设备按照“无负压”的工作原理来分类,可归纳为如下几种消除负压方法:
1、补入空气法
1.1原理概述
如果在上端进水(接管网)下端出水(接水泵)的密闭水罐的顶部装上一个或一组吸气阀,则可在水泵抽水流量大于管网进水流量而产生真空时打开吸气阀吸入大气,使密闭水罐成为在大气压力下的开口容器,因此消除了负压,使管网流量限定在负压抽水的临界流量以下。这种常用的吸排气阀的技术和装置,显然属于成熟和有效的技术,因此“补气法”成为变频自动给水设备绝大多数产品采用的消除负压方法。在我国较早的该类专利申请中,见于1997年的“机械式真空补偿器”实际上是一个浮子式吸气阀,当水位下降时浮子及阀芯下降接通大气；而称为“电动式真空补偿器”的专利申请就是一个受液位接触点控制而打开的电磁阀。现在很多产品也不在遮遮掩掩地作什么“保密”处理,而是公开在罐顶装上一个“吸排气阀门”。简单的原理和普通的构造被说清楚后,使得“变频自动给水设备”更容易被人理解和接受。
1.2 存在的问题
1.2.1“补气法”是在真空产生时吸入大气,自然会有空气或吸入物污染水质的可能。为此,北京市的有关文件提出“防止局部污染”,“防空气污染水质”的条款,就是针对“补气法”的这一缺点而言。市场上也出现了称为“真空全密闭”的产品,针锋相对地指向了吸气阀补气法的产品。
1.2.2 笔者曾撰文对吸排气阀动作可靠性问题提出疑义﹝见注1文﹞是出自两个方面的原因,首先是作为机械结构器件的浮子阀或电磁阀必然存在的动作失灵和机械寿命问题。特别是当管网水压足够而水泵容量不大时根本没有缺水负压产生的条件,面对瞬变流产生的负压,动作相对迟缓的机械阀门也根本不会动作,因此,出现阀门长年不动,该动时动不了,而形同虚设的现象。
另外,诺大的水罐截面面积,使罐中水位下降到达控制高度时间较长,在吸气阀打开前的过渡时段,负压早已形成并可能导致水体汽化,析出气泡,聚成气穴、气囊,充塞在水罐顶部,恰在管网连接的进水口处,使得进水过程中呈现汽液两相流的非稳定流态运动的水力因素。此时进气阀能否打开？能否排气、补气?都是较难把握的。如若不能顺畅的排气、吸气则会有管道水阻增大、压力增高或压力振荡不稳,甚至会造成管道接头漏水,管壁疲劳而降低使用寿命或发生爆管事故,这是管网方面较担心的事情。笔者所知因吸气阀失灵或打不开的故障导致水泵、电气故障时有发生,甚至有把进水罐都吸瘪的恶性故障。
1.2.3负压消除检验标准、实验方法和检验手段过于简单、含糊。表现为缺少定量的指标，缺少动态过渡过程的指标,在产品标准中采用“进水流量小于出水流量时负压消除器自动打开”的试验方法,而并不规定进水或出水流量的数值,则是很容易达到要求的低标准。譬如,将进水阀门关闭,进水量必然小于出水量,吸气阀是很容易打开的,但这并不能代表正常工况流量时的状况。
1.2.4储水罐容积难以选定。笔者曾在文章中提出过“在基本不改变供水现状和格局的限定条件下扩大直接供水范围”, “优先考虑管网能力和安全的价值取向”，“维持一部分水池、水箱的二次加压供水方式”等观点﹝注1﹞,不赞成在管网能力不能满足较大需水流量时通过储水罐来“贮水调峰”,即:管网进水流量会小于用户用水量时则不准使用“无负压”设备。于是,进水罐只是为了消除负压动作过程中缓冲水量的需要就可以很小了。当然为了扩大无负压产品使用范围,讨好用户,增加卖点,可以增大蓄水罐容积并命名为“稳流补偿器”,甚至可以把它作成100m3之大。切不说如此庞然大物加工、安装、打压、试水都存在工艺上的很多问题,只问购买如此巨大的一个压力容器要价值几何?再说,一旦蓄水量需要达到100 m3用来补偿进水量和用水量之差时,所谓的真空抑制器或是“吸气阀”就处在长时间打开的接通大气的状态下,密闭的水罐就是一个开口水池。既无管网余裕压力可叠加利用,也需要考虑蓄水时间若过长的水质变坏问题。如此分析,还是老老实实用“水池”的好。还有,水罐容积的计算也是有问题的,如公式为:V容积=(Q出-Q进)△t
Q进---用水高峰期的自来水进水量(m3/h)
Q出---用水高峰期的顾客用水量(m3/h)
△ t---用水高峰的持续时间
此式中,除Q出一项是设计师可依据规范计算出的数据以外,而自来水的进水量 Q进和高峰持续时间△t,几乎是设计师无法得到可靠的数据的,也很难有相对准确的估计，因为影响管网出水量的不确定因素实在是太多了。
基于“贮水调峰”的设计思想又有了“水箱式无负压给水设备”的出现,有的是用切换进水端,从水箱或是管网进水,有的则是从水箱和管网各自取水的两套设备切换运行。这种方式,几乎丧失了“管网直接给水”的全部优点。水池仍需要消毒、清洗,而且为避免水箱死水,不管管网压力能否保证直供水,水池每天都需要清空一次,凭添了许多麻烦。至于可以叠压节能的优点,要通过投资回收率或投资效益比的评价,算计一下经济上是否值得投资“水箱式无负压”。
1.3“吸气污染”的对策
真空下吸入空气,而且吸气口就是排水口,也有吸入小虫等污物之嫌，由此产生了对“补气法”的非议和拒绝。于是就有了如下几种对策。
1.3.1加“过滤器”。在进气口加装空气过滤芯等装置,防止颗粒物进入水罐,当然是防治污染的有效办法。但不知过滤器的阻力损失是多少时,很难确信它能通畅地进气或排气。
1.3.2橡胶囊或隔膜式罐体。由此形成气水分离,水体不会接触空气而称之为全密闭形式,消除负压的机理仍是靠囊外吸入大气压力,使在负压下吸凹的胶囊膨胀。对于这种方式有“胶囊寿命”,“橡胶老化后是否有析出物”等材质问题的疑问；有运行中水中气体在囊中或隔膜下无法排出,只有经过水泵排出,因而会造成水泵气蚀而影响水泵的使用寿命的问题,还有人认为胶囊和隔膜在向外受压的受力状况下可正常动作,而负压吸力下则难以保证动作可靠。以及“存在吸瘪胶囊的吸力,导致未充分利用储水就停机”（注2）等等指责。
1.3.3分仓式罐体。罐体被制造成两个仓体,分为水仓和气仓,罐体在全密闭状态下运行,当水仓中产生负压时吸气阀打开,从气仓补入气体,做到了不与外界空气接通,由于厂家的技术保密,笔者对其性能不够了解,只是见到“气仓气体是否存有害物质”、“罐体内气体积存造成水仓逐渐减小”、“气体若进入水泵从而影响水泵性能,并且对水泵流道及叶轮造成一定损害”等不同见解。（注3）
1.4小结
吸(排)气阀是输配水管道的常用设备,给排水设计手册中写到,“在管道隆起点和平直段的必，要位置上,应装设排(进)气阀,以便及时排除管内空气,不使发生气阻,以及在放空管道或发生水锤时引入空气,防止管道产生负压”。（注4）吸气阀方式是具有理论依据和实践证明的成熟的简单的技术。就是这样简单明瞭的工作原理和罐上装个吸气阀就可行的简单装置会演变出稳流补偿器、真空抑制器、负压消除器、予压平衡器、管网镇流器、管网保护神等中国乃至世界的新产品。使得“无负压概念满天飞,发明人叫苦不迭”,“利用人们不懂混淆视听,玷污了无负压这个概念”（注5）。---有人如是说。
2.预加压力法
在一个上进水下出水的橡胶隔膜压力罐的气室中预加一定的压力,用空气压缩机或氮气瓶等施压均可实现。保持自来水的进水口有一定的压力,就限制了取水量,并不会使管道产生负压,这项技术60年代就有用于密闭液体容器上, 近来被个别厂家采用于变频自动给水设备,显然是可行的技术。但它的隔膜式罐必然有1.3.2节所述的各种缺点。
3.缓冲罐补流法
当管网能力充裕,而用户水泵很小之时,根本就没有缺水性负压的生成条件,即不会产生出水流量大于进水流量的断流现象。此时水泵可串联到管网上直接抽水,但是瞬变流产生的负压还是会影响管网安全（注1）,在水泵起动,停泵,振荡,失控,出水管断裂等很多情况下都会产生瞬变流负压。为避免此现象造成管网脉动,可以在水泵进水管上并联一个空气罐,罐中积蓄着管网压力和罐中水位高度的势能,当水泵吸口因瞬变流态突然产生水柱分离的时段初,空气罐向水泵口补给流量。由于空气罐的补给作用管中负压被控制在水体气化压力以上,从而消除了负压,破坏了水柱分离及再弥合的产生条件,使水流脉动或水锤压力上升得到控制,对管道运行的安全性及稳定性具有重要的作用。
有的设备,水泵不使用变频器调速而是直接起动和停止的定速运转的2-3台小泵进行台数切换控制来调节流量，每台泵旁边立一个小型空气罐用于缓冲流量瞬变，这样的设备在日本国多见。
4、智能控制法
在认知了管路负压生成机理的基础上,使用先进的智能化控制设备和技术，自动控制水泵工况和水体流态，从根本上消除负压生成条件，则不会产生负压而不是产生之后再去消除。-----这种全新设计理念的产品一经推出，就引起了业内的关注。因为从理论上讲，有三点可以说明它是先进的。其一，产生负压再去消除的动态过程仍然是流量突变的振荡过程，造成用水安全性和快适性的不良，而根本不会产生负压则用水稳定性必然良好。其二，由电子器件构成的控制系统具有高可靠性和半永，久性寿命期，并有动作准确，响应速度快等优点。这是任何消除负压的机械装置所不能匹敌的，因此对管网有更可靠、更敏捷的保护作用。其三，不需要吸气排水的过程，不需要贮水水罐，水泵可直接管网，因此是真正的全密闭。
自动控制的概念，可以广义的理解时，则很简单的位式控制也被称为自动控制。例如，在进水罐上装一块电接点压力表，当压力低于某定值，（例如，北京规定为0.2MPa时停泵）断电停泵。或在罐上装一只电接点真空表，发生真空度为某值时进行吸气阀控制等。为了和这样的简单控制相区别。本文中使用了“智能控制法”的提法。为了根本不产生负压和完成加压送水满足用户需水要求，该智能控制应是由如下功能模块构成的自控系统：
4．1压力或流量约束条件控制。
4．1．1在取水管端口监测管网压力值，当它低于规定下限值（例如0.2MPa）时，发出控制指令，停止水泵运转。当管网能力冗余，管网压力很高（例如此京市管网压力可达0.5MPa以上）时，除非管网 事故，很难因取水超量而产生低于下限的压力。很高的管网压力也可以抑制水泵脉动对管网的冲击。因此“压力下限控制”在此样管网条件下是简单易行的方法。由于瞬变流负压有可能产生瞬间压力突降，这可以使用大阻尼装置或设定长阻尼时间，把瞬变流态造成的压力波动滤去，权当并未发生此事件。否则有可能造成突然停泵、多次停泵等影响正常用水的问题出现。
如果在压力下限停泵之前有一个缓冲的空间，例如，当压力0.22Mpa时约束水泵不再升速，使水泵在管网特性曲线的作用下自然地改变工况。管网常常会自然恢复压力。从而减少了突然停泵次数，这对于管网压力相对较低，压力值在约束条件的临界点附近飘移时会有很好的效果。
4.1.2流量约束的控制方法适用于管网压力较低，管网能力较弱的条件下。有的城市管网干管末端压力仅0.12Mpa～0.15Mpa的较低压力,例如德州市的管网。但通过水厂控制系统可以恰适的调度，保持管网压力的稳定性。若用较苛刻的压力约束条件，几乎无法推广使用无负压供水设备。而流量约束控制用以限定用户的取水流量，只要用户不超此允许的流量用水，则可不管管网在取水口处的压力是多少，只要不是负压哪怕只剩1m或2m水头也无妨。这就大大扩展了无负压供水方式的应用范围。流量限定条件的原理，计算方法等问题在（注1）及（注6）文中已有论述。
流量的监测可以使用流量计。但流量仪表价格昂贵，维护麻烦，一般只会在管网直接加压的大流量供水的末端加压站上使用。一般小区、楼宇用的无负压供水设备可用压力仪表检测压力，通过压力和流量的关系式作成数学模型，将压力演算为流量进行控制，这在微机控制系统中是不难实现的，但模型需要的数据往往设计时提不出来或计算不准确,所以需要现场运行实测，这样就加大了现场工事的工作量和时间，增加了工程造价。因此，大多用估算的数据，并不追求模型的精度。所以管网准用流量指标下达时应留有余地。
4．2瞬变流负压的抑制
抑制瞬变流即避免流量的突变，有水泵的软启动，软停止，台数增减时的平滑处理，流量（压力）超调的限制，调节振荡的防止，控制系统故障产生失控的处理等方法。控制的目的，是保持非恒定流的连续性流态，即使得进水流量的和出水流量相等，不产生出水瞬间流量大于进水而拉断水柱的现象。为了更加保险，可以在进水管路和泵吸水口之间安装压力缓冲罐冲防止控制系统失灵或滞后出现瞬变流冲击管网。
4．3、出水的恒压控制
水泵在叠加管网压力下运行，有很多新的问题（注7）出现。其中，出口压力受用水流量变化和管网压力变动的双向扰动，以及叠压后水泵流量范围变大，特性曲线变化等问题都使得出水恒压控制变的困难。传统的PID调节及出口压力恒定方式很难有良好的控制特性和节电的效益，采用现代控制理论和方法组成结构简单，控制稳定，适应性好的控制系统是大有文章可作的。
4．4多样化的控制功能
变频自动给水设备的控制功能除“抑制负压产生”和“出水恒压控制”的基本功能之外，还应具有很多实用性强的附加功能，如停水停机后来水时自动启动，停电后复电再启动，水泵故障时备用泵自动投入，工作泵和备用泵定时切换以免水泵停机死水时间过长等人性化的事故自处理和自启动的功能。还有电气开关无火花，仪表断线或失效保护、水泵失速限制等安全保护性功能以及节电较大化、水泵低频运转控制等软件实现的优化控制功能。多样化的控制功能推动了无负压供水设备向无人值守、免维护、长寿命、低噪声、节电较大化、安全供水无事故、安定用水很舒适的高，端产品发展。
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