无负压给水设备的问题点

       无负压给水设备应具有两项基本功能。一是“无负压”功能,即不使取水管路中产生负压,二是控制水泵增压送水,满足用水端的压力和流量需求。有一种观点认为：在传统的变频调速供水设备的前端，增加上“无负压”的技术措施就成为了具有两项功能的无负压给水设备。对于把这项新技术简单化的观点,笔者不敢苟同。因为,当水泵直接由管网抽水,在叠加管网压力的工况下运转时，水泵的特性及控制系统特性均有所变化，与水池取水加压时有很多不同。同时,水泵进水的管路(管网)与水泵出水管路紧密连接,形成了流体连续输送,压力直接传递的动态过程。这些是传统的变频调速技术所未曾涉及的新课题.是无负压供水设备自身特点所产生的新的问题点。

本文将其归纳为三点，论述如下：       

1. 管网叠压的不确定性造成选泵困惑及运行中不良工况的出现。水泵吸水口可叠加的压力知多少?是较难准确定量的问题。在设计选泵时,有可能无法得到准确的数据,因为管网压力并非稳定,而是受很多因素的影响而变动,如管网供水“时变化曲线”的高峰和低谷,管网运行调度跟踪用水量变化不及时；管网因工事或维修关阀倒闸改变送水路径；管网受瞬变流的冲击等情况均会使管网压力变化,有时会幅度很大。另外,水泵可叠加的管网压力是由管网在引水管接口处的压力和引水管路阻力特性两项数据决定的,是随流量变化的函数,也是一个变量。        

      从理论上讲,选泵应考虑“叠压”因素。利用叠压的条件,可使所选水泵额定压力和功率降低,并使水泵叠压后仍能在高效率区运行,不出现超压、过负荷等不良工况。但由于叠压数值往往不能准确采取而令人困惑。 主张不用考虑叠压,按所需最大流量和最不利点所需压力选泵的理由也很充分。因为大多数无负压设备在进水罐上吸气阀打开或曰负压消除器工作时,水泵吸水口已无压可叠。再者,如果管网方面常常不能保证选泵时所叠之压力则水泵会无能力满足用水需要。不考虑叠压选泵而水泵要叠压运行则必需有技术上的对策。一方面需要控制水泵能够在低频率馈电下运转，而水泵电机在低频运转时会有很多技术问题,例如:电机的低频馈电下发热、低频时机械共振、哨叫噪音、水泵在低频小流量会偏离高效率区和稳定工况区,以及低转速时水泵上端积气,造成真空度跌落,使之升速时则不会出水,空搅泵壳体内死水发热等等。因此,不叠压选泵时水泵可能长期在低频下运转,就应有针对水泵低频运转工况的技术措施,避免上述问题或故障的发生。同时,因为水泵在叠压幅值较高时有可能出现高效区右端以外的不良工况使水泵超负荷或气蚀区工作而产生故障,这就要求对水泵的允许运行区间进行控制,使其在规定的安全、高效范围内工作并满足用水需求。       

       管网叠压的不确定性,造成了水泵运行工况难以把握。因此,关于无负压给水设备如何配泵、如何控制、如何节电等,涉及运行工况解析和控制特性分析的技术课题,是应该深入研究的。        

2.   水泵工况受双重扰动,自动控制系统动态特性变得更坏。传统的变频水泵控制 大多是水泵出口压力恒定的控制模式。由于二次加压系统的管路特性中几何水头(静扬程)占较大比例,管路阻力损失水头相对较小,简单的出口恒压控制,一般能够满足用户调节流量的需要。因而自动调速系统多用经典控制理论的PID调节方式。由于水泵特性和工况的非线性改变和各种不确定的扰动只能作定性分析,难以建立准确的数学模型,一般将水泵建立水压过程作为一个纯滞后的一个阶惯性环节来计算采用PI调节方式。而这种方式,往往动态性能较差。由于变频调速供水设备的产品标准中,只规定了一个“压力控制精度不得超过±0.01MPa”的指标来评价自动控制系统的品质。所以系统只要静态偏差达到指标即为合格。其实,忽略调速过程动态特性的要求,片面追求静态偏差,甚至牺牲动态品质来完成静偏差指标是舍本逐末的事。因为从用户用水要求来看,水泵压力有些偏差,对用水的流量需求和舒适性的感觉都影响不大。例如：用户打开了一只DN15mm的水龙头,每分钟出水10～17升时用户没有不适的感觉，都会欣然接受。也就是对水咀柱上水头没有精确到0.01MPa的要求。而用户对调速动态特性的不良确有明显的反感。例如动态过程中压力振荡幅值过大、振荡频率太快、次数太多、周期太长或压力过高过低时响应速度不够等待时间过长等等。动态过程不良造成的管路振荡、水流喘振、忽大忽小、喷溅、噪音等都是令人难以接受的。更有甚者,在冷热水混合用水器具上,冷水的振荡几乎使水温无法调节……。

       由此可见,决定变频供水设备供水品质的是控制系统的动态特性。动态特性不良的问题在无负压给水设备的控制系统中将变得更加严峻,这是因为水泵叠加管网压力运行时,工况点的改变不仅受用户流量调节时的扰动,而且受管网压力波动的影响,即受到来自进水端和出水端两个方向的双重的扰动。       

       用户根据自己的需要,随机性地开启、调节或关闭水咀。这种调节流量的动作从理论上讲是用户用水操作改变了管路阻力特性曲线而使水泵工况改变,因而产生了偏离目标压力的扰动或曰偏差。经PI调节运算后产生调节信号,调节水泵转数,使其重回设定值。一般情况下,用户流量变化的需求是较缓慢的渐变过程,所以管路特性曲线变化比较平缓。这是PI调节可以应付的特性。        

       而来自进水端的管网压力波动则是另外一种情况。叠加在水泵上的管网压力的变化,实际上是改变了水泵的特性曲线,使工况点突变而偏离目标压力设定值,这是不同于前者的扰动动作。由于系统具有双重的扰动,不同的偏差机理,不同的数学关系式,使用一个简单的PID传统控制就企求良好的动态特性是难以办到的。因此,把无负压给水设备的控制等同于传统变频供水设备的控制是认知上的误区。还应该指出的是,市政管网一方往往只是强调“无负压”的功能,而忽略了对水泵控制的技术要求,认为这是用户方面的事情,与管网关系不大。实际上则不然,在管网能力足够,管网压力偏高的管段上,因取水流量过大而产生负压的可能性和机率很小,大可不必过份的担心。而由于水泵控制特性不良,调速振荡而产生的水泵脉动,直接传递到管网,不仅会使管网在流量波动中产生积气、气囊等安全隐患,而且因流体振荡冲刷管路也会造成水质的变坏,出现“赤水”或“浊水”。水泵脉动还会影响水表精度和使用寿命。因此,同管网连接在一起的增压水泵脉动和它对管网的影响是不应忽视的问题。        

3.   变频调速给水设备原有的缺点被放大。传统的出水口恒压变频供水设备因其系统结构和运行方式的固有缺点,具有“不节能”的属性。这是因为:(一)水泵出口恒压控制线与管路阻力特性曲线存在偏差,恒定压力的设定值应是能够满足最大流量时的所需压力,而此值与流量变化不相关,始终为一常数。因此在流量减小过程中,控制压力高于所需压力,产生超流量出水或管路阻力损失加大等费能现象。(二)采用定速泵与变速泵并联工作,即2台泵(一般是同型号)同时工作来达到最大流量的配置,也具有“不节能”性,若保证水泵在定速时效率为最高,则变速水泵在所分担之送水流量较小时则不在高效率区运行，使整体低效率。当这样的系统用于“无负压”(叠压)供水时,其结构上不节能属性会被放大,本来叠加了管网的余裕水头应可节能,但若把水泵推上了低效率工况区,不但抵消了“节能”,而且水泵运行的安全性和寿命也可能受到影响,甚至产生工程隐患和故障。        

       传统变频供水设备的另一项固有缺点是定速泵投入或退出系统的切换过程存在严重的缺陷。由于两台泵或三台泵交替使用一台变频器供电(被称为“一拖二”或“一拖三”),因此,当一台变频泵工作到50赫兹仍不能满足用水需要时,要将变频电源切断,改用工频电源,然后将变频器投入到第二台水泵,使其软启动并在调节系统控制下运转。这样的过程,首先是瞬间断电、断水使管路压力陡降或产生水锤，造成对系统强烈冲击,是对安全运行的一次威胁。同时,对于电气系统这也是一次严重“冲击”,对变频器、电动机及切换电器都有损害。在切换过程中变频器是在最大负荷电流时(频率接近50赫兹时)突然卸载,这会损害大功率开关管或减少其寿命。对于电动机突然失电、过猛的冲击,有损机电部件寿命。同时,在电机断电后仍存在反向感应电势之时,再次合闸供上工频电源则会产生很大的电流冲击。而对于此时的变频器来说,在其卸载过程中,内部电容正在放电,又突然加上待启动的电机低感抗负载,,启动电流则会很大。电气系统的冲击往往会导致保护跳闸,而使供水中断。在水泵叠压之后,切换过程中水流和电流的冲击都会加大，系统的可靠性面临考验。而且，在切换临界点左右的用水量变化和管网压力波动(双向扰动)会造成“频繁切换”，使供水无法稳定甚至使系统崩溃。

       本文指出的问题涉及供水设备的安全可靠性、运行稳定性、用水舒适性以及节能性等主要性能。由于无负压给水设备的这些重要品质指标还没有评价标准,也缺少检验方法和手段,使得用户面对鱼龙混杂的无负压给水产品,不知如何选择。同时,低水平下重复开发的“新产品”不断涌现,一味追求“外观光亮”、“进口泵”、“触摸屏”等华而不实的“技术进步”或“产品换代”都使人感到更加困惑从而动摇了推广应用这项新产品的信念。管网直接加压供水具有节能和减少水质二次污染的突出优点,是值得大力推广的新技术。无负压给水设备的市场前景非常广阔,但唯有真正能提升用户用水品质的优秀产品才会被用户广泛接受。