低成本水泵组合稳压给水系统的研究

低成本水泵组合稳压给水系统的研究

韩俊成

中国电子系统工程第四建设有限公司

摘要:本文提出一种无需采用变频调速，仅利用水泵组合的方式来提高系统低成本稳压供水的方法。利用二进制的原则，可以减少参与机组的数量，降低机组的容量。该方案在不能确保给水压力不变的情况下，能够在一个较大的幅度之内保持平稳的变化，能够满足普通住宅的用水需要，并且具有较好的节能性和较高的性价比在应用中可以进行广泛的应用。

关键词：水泵组合；稳压给水；低成本

前言

本文介绍了一种新型的基于变频调速的新型供水方式，通过对水泵电机进行无级变速，使供水系统达到恒压供水。但是，采用了频率转换装置后，该方法又出现了一些新的问题，对其稳定运行造成了一定的影响。变频调速系统是一种新型的机电一体化控制系统，其造价较高、系统较为复杂，但其运行维护费用较高。采用变频技术对水泵电机进行调节，在原理上具有很好的节能作用，但是，在使用恒压压力的情况下，为了适应所有客户，尤其是上层客户的需要，该系统的压力设定很高。另外，由于水泵电机通常不采用专门的变频电动机，所以在低速运转时，它的效率很低，并且会产生热量，导致能量的消耗也会增大，因此，它的能效并不是很高，这就会导致整个系统的性价比下降。其实一般的市政给水，都不必要求恒压调节。每天的压力只要保持在一个相对平稳的区域就可以了。通过选择合适的几个水泵并联，并联一起工作，就可以实现供水稳定。

1、水泵组合稳压给水方法的可行性

目前，我国城市供水工程中，已经逐步放弃了原有的水塔、高位水箱和气压水箱等工艺，改为计算机控制和变频调速，实现无级调速和恒压供水。该技术具有稳定水压，减小设备体积，节约能源等优点，但是采用的变频调速装置造价较高，工艺复杂，其性价比较低。

图1显示了一种典型的住宅给水管24小时运行的情况。它具有三个特征：第一，一天24小时内，通常仅在上午、下午、夜间三个时间段内，水量Q变化比较大，其它时间变化很少，且比较稳定。第二，Q值在三个周期内出现快速上升和下降，随后又恢复到较稳定的供给水平。这样，在供水Q出现突然的情况下，就可以通过改变泵的操作方式来实现有级的粗略调节，而无需做精细的无级调。第三，在保证给水水量供给的条件下，对水压脉动的标准没有太高的规定，如果以H1为恒压控制的最高目标，H2是恒压控制的下限，那么，给水压力H可以在H1-H2限值范围内起伏，不必使水压保持在一个特定的恒压范围。

图1民用建筑供水系统24h供水流量运行曲线示意

所以，对于一些具有代表性的住宅小区，我们可以不使用变频调速，而是使用水泵联合稳压方式。也就是说，用一套泵来保证水源的输出压力不超过H1-H2。同时，还可以通过软件手段，合理延长低压水的供给周期，低平均水压Hp，将使Hp<(H₁+H₂)/2,，从而达到节约能源的目的。

但恒压给水方式不能满足上述要求，其主要是因为恒压控制要求有一个恒定的压力值，如果H0值设定太小，就会导致上层用户长时间没有用水。通常H0被指定为更高，仅比稳压供水系统的上限水压H₁略小。结果表明，在稳定压力下，给水系统的压力均值为Hp远低于H0。所以，本论文所述的电压控制系统不但制造费用低廉，而且具有良好的节能性能，因而所介绍的电压控制系统是可行的。

在不采用变频调速的情况下，采用二元变流量泵结合稳定给水方式，能够确保给水的稳定和充足。为了使理论分析更为简便，对因多个泵并列运行而引起的理论与实测值的误差进行了考虑。

2、二进制变流量水泵组合稳压给水方法

图2是运用二进制变流量水泵组合稳压给水方法构造的系统示意图。

图2二进制变流量水泵组合稳压给水方法构造系统

这个装置有4个泵，Mo,M₁,M₂,M₃平行排列，联合供水。每一台泵都有一个同样的额定水头，而它的额定流量是双倍递增的，也就是说，如果用q来表示M的额定流量，那么四个水泵的额定流量就是q,2q,4q,8q。

用1代表泵运转，用0代表停止运转，这样，各泵的运行状况可用一位二进制来表示。因此，Mo,M₁,M₂,M₃这4个泵的工作状况分别用一个二进制数a0,a₁,a2,a₃来代表。他们结合起来的工作状况可以用四比特二进制数a3,a2,a1,a。从表1可以看出，这4个二进制数字一共有16种不同的情况，这种情况既反映了那一时期的泵的配置情况，也反映了那时候这种情况下的泵能供应的水量Qt。也就是说，这个数值越大，排出的水量就越大，反之，排出的水量就越少。从而得出了按照使用者的用水量来调整系统出水的流量，从而确保供水的稳态，其工作原理为：通过电触点压力表设置上压H1，下压H2,H1-H2组成一个安全区域。如果真实的压力H<H2，则程序控制程序按照表格1中二进制数a3a2a1a0。增量定律将各泵的运行工况进行转换，增大了系统的出口流速，使压力升高直到H>H2。如果压力H>H₁,PLC将根据表格1中二进制数H>H

₁降低定律将泵的运行工况进行转换，降低了从系统中排出的水流，并且水压降低到H1。在常规工况下，H2，供水系统中的真实压力H将保持在H1与H2之间，从而实现了压力的稳定。

3、二进制变流量水泵组合稳定给水方法的特点

文中所述的方式不采用变频调速，尽管使得水泵数量更多，但是并没有提高整个泵的额定能力，同时，与常规的水泵结合方式组成的体系中，组成体系的复合泵数量更少，能力更小，能够极大地提升该体系的性价比。通常采用同一排量、同一水头的水泵进行联合供水。假设，可以采用大量的泵数量（但是在工程中，水泵的数量不能过多），并且在允许的额定流速很低的情况下，通过多种这种泵的联合供水，可以实现任意精度的稳定指数。但其弊端在于所需的泵数量较多，且受到建设费用等诸多方面的限制而不能应用。但二进制变量泵结合稳定供水方式，仅需几个M（通常为3或4个）并联运行即可实现同样的恒压供水。其理由是，当配置水泵时，按照每一台水泵的额定扬程相同，而其额定流量是双倍递增的原则。若不这样配置水泵，而要使所有的泵的参数都完全相同，那么为了实现相同的稳压指数，需要的水泵数量N就会非常大，N和M之间的关系是N=2M-1，也就是M=3,N=7；M等于4，相当于N=15；当M增加时，N会按2的指数定律迅速增加，这样的情况下，由于泵的数量过多，在实际中很难做到。而按这种方式组成的供水系统，仅需少量的水泵就能实现稳定供水。

表1水泵组合工作状态

4、结语

随着高楼的不断增高，其防火安全性也日益受到重视，其中供水系统是防火的关键环节，水泵作为一种常用的稳定装置，在消防供水中得到了广泛的使用。以普通住宅用水为例，探讨了在不采用变频调速的情况下，采用水泵组合方式进行低压稳定供水的可能性，并给出了二进制可变流量的恒压供水方案。利用该方案，可以大幅度地降低泵机组的数量和容量，且具有较强的工程实用价值。

参考文献

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