无负压供水系统在离石供水加压泵站改造中应用

郭加强 李兴唐 郭小凡

(吕梁市供水服务中心，山西吕梁 033000)

无负压供水系统在离石供水加压泵站改造中应用

郭加强 李兴唐 郭小凡

(吕梁市供水服务中心，山西吕梁 033000)

鉴于加压泵站长期采用水泵从清水池吸水二次加压方式存在诸多弊端，采用了性能可靠的无负压设备取代传统模式的高扬程水泵和清水池，改造后的系统能够有效控制其压力和流量，实现恒压供水，而且节能，并对水锤、空气等问题有所改进，优化了加压站的供水系统。

加压站，无负压设备，恒压供水，节能

0 引言

离石区位于山西省西部，吕梁山中段西侧，是吕梁市所在地，地貌东北高、西南低，气侯炎热多雨，寒冷少雪，平均气温8.9℃，年平均降雨量450 mm～550 mm。供水加压站始建于1982年，生产工艺是从城市管网接入水源送至200m3接水池、经加压泵房加压后送至用户，在管网末端最高点设有500m3高位水池用来保持供水不足时压力的平衡，实行24 h连续运行的传统增压模式，日产水量在1 500 m3～1 800 m3，供水区域高差39 m，供水运行系统由2台离心式水泵一用一备工频运行，吨水耗能0.34度/t，运行人员8人，以4班3运转的值班模式，承担着市区龙山2万余人口的生活用水任务。

因人工操作常出现断水和溢水现象，为了节约人力费用，降低改造成本，提高供水能力和服务水平，根据进水水压和用水量的实际情况，计划分为不同时段予以增压，在小流量时减少了泵站开泵台数，利用了部分进水压力增压，从而降低运行成本和用户初期成本，达到稳压供水的效果。因此选用具有合适流量、扬程、性能的无负压设备，与市政直供管道连接，把市政管道中原有压力引入无负压进水端，经设备叠压增压后传输给下端用户，同时利用末端500 m3高位水池水在夜间低峰时停止水泵运行供给用户，达到满足用户用水和控制调节供水的目的。

1 改造方案的整体设计

系统主要由中央控制器、ABB变频器、文本显示器组成，功能如下:

1)中央控制器实现控制功能。

压力控制，通过压力传感器送入的数据，进行PID调节控制转速;流量控制，通过流量变送器采集的数据和设定的流量值，控制加泵和减泵;定时切换，通过计算累计运行时间，保证每台泵的动作时间基本一致;故障处理，采集电机过热故障信号，故障时可方便的进行切换。

2)通过变频器实现对水泵转速的控制。

3)通过端子控制接受中央控制器指令，执行对水泵转速的控制，保证恒定的供水压力。

4)通过文本显示器实现人机交换，并可实现现场参数的显示、设备运行状况显示、故障记录显示、设备参数设定。

2 改造方案具体设计

2.1 无负压设备运行原理

1)设备采用微机变频技术，通过稳压补偿系统使设备与市政配水管网直接链接。根据用户实际高差设定出水点的工作压力;工控计算机实时检测配水管网实际压力值，通过实际压力值与设定压力值对比比较，降低或升高变频器的频率。正常供水时，水泵从稳压补偿罐来水调节区中取水增压，供水调节区通过双向补偿器对瞬时高峰用水量差值补偿，保护了市政来水管网的压力不受干扰。供水调节区在正常供水时，通过双向补偿器与市政供水管网连通，能够有效保护市政管网压力稳定，控制系统独特设计和双腔罐体的设计，能够避免压力管道流速的急剧变化所产生的水力冲击现象。

2)对加压泵站而言，由于市政供水流量变化较大，且供水时段较集中，工频切换水锤效应较大，会使水泵轴承机封损害较大，所以采用稳压供水系统。使每台水泵通过变频调速控制其转速，可以达到恒压供水，控制水泵的运行数量可以满足用水流量，并可选择时段设定不同的给水压力。故其优点如下:

a.变频启动电流由小逐渐到大，且启动平稳，对电网的冲击小。

b.由于水泵转速低于工频转速，有利于电机和水泵使用寿命。

c.停机电流由大逐渐到小防止了停机时的水锤效应。

d.分时段供水，可降低其低峰时的浪费。

充分利用500 m3高位水池缓解和调节作用，利用水池水位设定高中低控制点调整频率、泵的启动、停止，特别是在夜间供水低峰时水位满后停泵时间保持较长并满足了用户用水需求，节能效果明显。

2.2 方案中的参数选择

根据工程概况所给数据:流量Q=100 m3/h，扬程H=50 m，分析水泵性能曲线后，选择了水泵为3台格兰富立式双吸泵，相应流量和扬程时运行于水泵高效区，即使在常规流量下，水泵经过变频依然在40 Hz左右运行，保证了水泵最大可能在高效区运转。

2.3 系统组成元件

选用3台CR90-3水泵:Q=100 m3/h，H=50 m，N=22 kW，两用一备。系统利用原有500 m3水池1个;设备进水口径DN200;阀门包括:蝶阀、软连接、橡胶板止回阀;出水口径DN150。

2.4 方案中的防止水锤和空气破坏措施

装水锤消除器或安全阀，进行泄水减压，安装缓闭止回阀，延长缓闭减压，在凸起部位安装自动排气阀以防止水锤和空气破坏。

2.5 方案中的流速设计

根据《室外给水设计规范》和《给水排水设计手册》［1-5］等资料，依据水力学中的流量Q、流速V、管径D的关系:

供水管网的流速最高不宜超过2.5 m/s，不淤流速应大于0.7 m/s。通常，各城市采用的经济流速Ve范围如下:

该加压站管网管径在100 mm～300 mm之间，因此选择经济流速Ve=0.5m/s～1.1 m/s。

2.6 方案中的节能降耗措施

1)变频调速技术在水泵中应用发展，可根据水泵负载特性来调整电机转速和启动时间长短等参数，获得节能特性。在供水泵站采用变频无负压技术，可以充分利用市政管网原有压力，叠加增压，达到了节能和稳定运行的目的。供水无负压变频的节能降耗原理，就是离心式水泵输出特性，取决于水泵的种类和供水管网系统的阻力特性，见图1，图2。

从节能的角度出发，改造原存在于工频运行设备，较多利用变频调速改变水泵转速，以满足工频调整频率时对性能的要求。因此，水泵调整转速时的H—Q曲线改变为图3，水泵的性能特性曲线N与管道性能曲线DE的交点A0为水泵正常使用时的工作点。

2)通过节流控制、变频、无负压的比较，说明无负压的节能工作原理。

节流控制:在图4中阻力曲线由DE改变为DE1是通过控制阀门的开启度，以达到控制供水摩擦阻力的目的，摩擦阻力变大后，扬程则由H0上升到H1位置，运行工况点从A0变为A1位置，流量由Q0降低为Q1，达到节流目的。

图1 离心泵特性曲线（一）

图2 供水管网的阻力曲线（一）

图3 离心泵特性曲线（二）

图4 供水管网阻力曲线（二）

变频调速控制:当管网性能曲线不变时，改变水泵转速将N变为N1，工频点的位置由A0点移动到A2点，此时输出流量与使用节流控制时的输出流量相同，但扬程由H0降到H2，与节流控制相比，扬程更低，更节能。

无负压设备:就是利用了市政管网原有的压力，即水泵进口压力加水泵扬程才等于普通变频的扬程，因此水泵扬程低于普通变频扬程，两种工频下水泵扬程差为Δh=h-h1。速度从n变为n1，工频A0点移到A3点，扬程从H0降到H3，流量将从Q0减小到Q1，与用节流控制时输出的流量相同。

以上三种方法运行时A1点、A2点以及A3点的泵轴功率分别为:

即用节流控制流量比用变频调速控制时多浪费了ΔP的功率，比用变频无负压时多浪费了ΔP1的功率，而且消耗随着阀门的开度减小而增加。用变频调速控制比用无负压时多浪费了ΔP2的功率，因此节能潜力巨大。所以，最有效的节能措施就是采用变频无负压供水。一般应用变频无负压节电率为20%～50%，效益显著。

另外，变频调速控制时，由水泵的叶轮相似定律，当转速从n0变为n2时，Q，H，P大致变化关系为:

2.7 改造前后24 h运行参数对照

改造前后吨水单位耗电和供水量发生巨大变化，改造前吨水单位耗电为0.336度/m3;改造后吨水单位耗电为0.187度/m3;吨水节能降低了44.34%;供水量提高了62.1%。改造前后24 h运行参数对照表见表1。

3 无负压与高位水箱相结合供水模式的优势

供水方式的优点是:

1)可以避开用水高峰期。建筑用水有很大的不均匀性，早晚高峰期的用水很集中。如果水箱有水，就可以不开泵，或设定时间段参数，避开用水高峰。只要能避开用水高峰期，就可以保证市政管网压力不会下降。

表1 改造前后24 h运行参数对照表(2013年6月)

2)水泵不需要24 h运转，中间间歇停机时间长，节能效果明显。建筑用水的特点就是不均匀性强，变化系数大。利用高位水箱供水，可以有效地解决这个问题。水泵如果选型合适，将始终在最高效的工频区间运转，并且利用高位水箱，低位起、高位停的控制逻辑，可以使下端无负压设备运行时间较短，节能效果明显。

3)有效的利用了市政管网压力，叠加增压，差额补偿。即使上端市政管网无水，利用变频模式向高位水箱供水也可以超越其他无负压设备的高效节能性。

4)增压水箱结构为全封闭设计，通气孔采用往复式吸排气过滤装置，能够有效的过滤灰尘和杂质，水箱底部设置枝状引水装置，有效增加取水面积，保证水质鲜活度，解决了水箱滞留层、死水层的问题。

5)水箱内部装有智能化增压装置，在水泵切换时，保持用户管网压力稳定，水泵处于高效区运行。控制系统中增加时间控制器，定时对水箱水源循环使用，保证水箱中水质新鲜。

6)采用数据光纤实现了无人值守远程控制、监视，管网压力平稳故障率减少，运行以来年供水量提高62.1%，吨水耗能降低了44.3%，收到了良好效益。

4 结语

采用无负压技术，智能增压装置运行时，市政进水和水箱储水同时作为取水水源。当市政管网压力充足时，从市政管网取水向高位水箱供水;当市政管网供水不足时，智能增压装置启动，从水箱取水，补充市政管网供水的不足，保证外网不出现无负压。满足用户设定值后再送至高位水箱，如未达到设定值高位水箱可通过已存水，传输给用户。当高位水箱满水后(高水位)水泵自动停运，高位水箱处于低水位时，下端无负压水箱设备自动开启，设备自动运行，实现了无需人员值守，是一个供水稳定，投资少，逐步调节增压的供水方案。

［1］ GB 50015—2003，建筑给水排水设计规范［S］.

［2］ GB 17051—1997，二次供水设施卫生规范［S］.

［3］ GB 50242—2002，建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范［S］.

［4］ GB 50013—2006，室外给水设计规范［S］.

［5］ GBJ 54—83，低压配电装置及线路设计规范［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

郭加强(1960-)，男，工程师; 李兴唐(1972-)，男，工程师; 郭小凡(1988-)，女，助理工程师