叠压供水设备的优化设计研究

张乐乐

（晋能控股煤业集团马脊梁矿， 山西 大同 037027）

引言

叠压供水形式是一种新型供水方式，该技术是在传统变频恒压供水系统上发展起来的，包含有稳压平衡器、液位控制器、变频泵及负压消除器等系统组件，具备应用市政余压、降低水质二次污染等传统二次加压供水系统不具备的优点[1]。

1 叠压设备的运行工况

1）叠压设备工况。市政管网压力能够满足设备进水压力的最低要求，却达不到水泵出口端设定的恒压值，当位于设备入口处的压力传感器检测到入口水压能满足上述要求时，可通过加压措施来稳定出口端的压力恒压值。当用水量较少时，不启动变频水泵，而是利用小型隔膜式气压水罐提供所需的流量。当用水量增加至气压水罐稳压时，是通过PLC 控制启动变频水泵，并根据进、出水侧压力差值通过变频技术调节水泵转速，达到所需的流量[2]。

2）使用旁通管供水工况。当设备的入水侧压值高于恒压值时，水泵停止工作，开启旁通管阀门，此时应用市政压力开始进行供水[3]。

3）故障停止供水工况。当设备的入水侧压值小于恒压值时，系统发出报警信号，水泵停止工作，开启旁通管阀门，利用市政供水，待恢复进水侧压力后，解除报警，重新启动水泵[4]。因此，管网叠压供水方式相比于传统的蓄水池给水方式，叠压供水系统与市政管网直接串接，可充分利用市政管网的压力，无须修建蓄水池，设备占地小，相对投资也减少。系统属于全封闭式，避免外界的污染，一体化设备具有较高的可靠性[5]。因此，本文提出了三种型号水泵组合新型控制方法，并与传统控制方法进行对比研究，进而达到节能目的。

2 叠压供水设备的组成及工作机理

叠压供水体系组成部分包含有气压水罐、防负压装备、压力传感器、水泵及自动控制体系，由于稳流装置容积的有限性，为防止生活用水的倒流，通常在该供水系统前安设防止导流器装置。此外，为防止水泵混入给水管道中的杂质，造成叶轮损坏，还需要安设过滤器装置[6]。

对于叠压供水方式，无低位水池，水泵具有一定数值的进水水压（通常≥0.2 MPa），因此，水泵所需的扬程为：

式中：H2为供水体系中水泵的扬程，m；H1为应用低位水池进行供水的水泵扬程，m；h1为供水体系中水泵进水处的静水水位，m；h0为市政管网接入位置处的静水水位，m；∑h 为水泵入水口至市政接口处的水头损耗，m。

由式（1）、式（2）可知，该供水设备能够节省的部分就是h1[7]。因此，只要对市政管网的压力进行很好的利用，就可达到供水节能的目的。

叠压供水设备引入变频恒压控制，目的就是高位水箱取消后，不仅可保证水压的稳定需求，降低因市政管网引起的压力波动，并对水泵实行变频调控，从而达到泵组能够自由切换并满足出水要求。在恒压控制中，对水泵进行增减适当控制就可实现水泵组合运行高效的目的[8]。

3 叠压供水设备的优化设计

叠压供水设备的进水端一般安装有稳流罐，且稳流装置的逻辑调控也相对简单。对于水泵组合的控制方法，尤其是三种泵型组合的情形下，是依据设计配泵情况决定的。在相关研究[9-10]中，采用型号不同水泵运行高效区间的特征可知：对于泵型的不断增大，大型号水泵变频运行的高效区间可以将同一型号小型水泵联合运行的区间进行覆盖，所以不宜选用同一种水泵组合型号。对于泵型的逐渐增大，水泵变频运行的流量适用区间也相应地增大，遇不同型号泵运行的情形下，宜选用大型号泵进行变频。当采用同种型号水泵相组合时，水泵联合运行的高效区间显著小于单泵变频区，因此，在用水量使用高峰期时，最好能落入水泵联合运行的高效区间内。而当设计流量较大时，宜选用三种泵型，且三种泵型运行的高效区间能够覆盖的范围明显大于两种泵型的情形。

本文中，泵1、泵2 和泵3 分别对应水泵CR15、CR20 和CR32，为小、中、大三种泵型。传统叠压供水设备水泵组合的控制模式是“水泵型号从小到大，先启先停”，其控制逻辑图如图1 所示。在采用单台变频器时，转换缓解压力振荡发挥着很好的功效作用，但是对于三种型号水泵组合运行的工况，不节能。

图1 三种泵型组合传统控制方法逻辑图

本文先对大、中、小三种型号水泵组合的变频恒压运行工况进行分析，得到图2 所示的三种型号泵组合运行高效区间示意图。

图2 1 台CR15、1 台CR20 和1 台CR32 三种泵型组合运行高效区间示意图

由图2 中的阴影部分可知，三种泵型组合可运行的高效区域有CR15、CR20、CR32 分别位于单泵运行高效区域ABDC、A'B'D'C'、A"B"D"C"。CR32 与CR20联合高效区间为A2C'2N'2，而CR20 与CR15 联合高效区间为A1C'1N'1，CR15、CR20 与CR32 联合高效区间为A3C'3N'3。因此，对于高峰流量和夜间工况可选用CR15 小泵，对于白天流量要求较大的工况可选用CR20 中泵，而选用CR32 大泵也可在白天工况运行，三种型号的水泵实现全天供应的效果。

对CR15、CR20 与CR32 三种泵型组合运行的传统控制模式工况进行分析，得到图3 所示的高效区间示意图，从图3 中的阴影部分可知，单泵CR15 变频的高效区间是ABCD，CR20 与CR15 联合高效区间为A1C'1N'1，CR15、CR20 与CR32 联 合 高 效 区 间 为A3C'3N'3，由此可知，传统控制模式下水泵高效运行区域较小。

图3 CR15、CR20 与CR32 三种泵型组合运行传统控制模式下的高效区间示意图

对CR15、CR20 与CR32 三种泵型组合运行新型控制模式下的工况进行分析，得到图4 所示的高效区间示意图，从图4 中的阴影部分可知，单泵CR15 变频的高效区间是A'B'D'C'，单泵CR32 变频的高效区间为ABDC，CR32 与CR20 联合高效区间为A2C'2N'2，CR15、CR20 和CR32 联合高效区间为A3C'3N'3。对比图3 和图4 可知，新型控制方式下，水泵运行的高效区间范围更大，可以满足用户所要求的运行工况。

图4 CR15、CR20 与CR32 三种泵型组合运行新型控制模式下的区间示意图

对于传统的泵型控制模式是先对小型泵进行启动，紧接着是依次增泵，这样会造成水泵高效区间范围内流量上的不连贯，而新型泵的控制逻辑图如下页图5 所示。在新型方式控制逻辑中，CR32 大泵和CR15 小泵变频运行起到小流量供给的作用，而CR20中泵无变频运行。

图5 三种泵型组合的新型控制方法逻辑图

4 结论

针对叠压供水设备水泵控制方法不科学，会造成能耗大及设备稳定性差等问题，本文提出大中小三种型号水泵组合的新型控制方法，并与传统控制方法进行对比研究，结论是：新型逻辑控制模式可使水泵在高效区运行很长的时间，且水泵可运行高效区域更大，基本可以覆盖用户所需的运行工况，相比传统控制方式，能实现节能功效。