无负压自动给水设备水泵组合可优化变频调速给水
一种新型给水方案，它既保留了无负压自动给水设备变频调速恒压给水方案的优点：出水流量连续可调、出水压力恒定、供水品质优良，又利用水泵组合技术降低了变频调速器的设计容量，提高了全系统的性能价格比。
目前，建筑物无负压自动给水设备系统已逐渐放弃水塔、高位水箱、气压罐等传统技术，而采用电脑控制配合变频调速器对水泵电机无级调速、恒压给水。这种技术在稳定水压、减少设备体积、节能等方面有很大进步，但由于使用了价格昂贵、技术复杂的变频调速器，降低了给水系统的性能价格比。
要解决这一问题，较有效的方法是在基本不降低给水系统性能前提下降低变频调速器的选用容量。市场调查表明，变频调速器的容量越大，对工程造价的影响越大。因此，在设计容量较大的给水系统时，如何降低变频调速器的容量，是提高工程性能价格比的较有效技术途径。
1、二进制变流量水泵组合稳压给水方法
在文献［1］中提出了一种不使用变频器(或气压罐)的自动稳压给水方法，即二进制变流量水泵组合稳压给水方法，现介绍如下：
该无负压自动给水设备系统共有四台水泵M0、M1、M2、M3并联运行，组合给水。各台水泵的额定扬程相同，额定流量呈二倍递变，即如M0的额定流量为q，则其他三台水泵M1、M2、M3的额定流量分别为2q、4q、8q。
以数字1表示水泵工作，数字0表示水泵停止工作。于是M0、M1、M2、M3四台水泵的工作状态各用一位二进制数a0、a1、a2、a3加以表达。它们组合在一起时的工作状态用一个四位的二进制数a3a2a1a0表示。
四位二进制数共有16种变化情况，这些变化状况不仅代表了当时水泵的组合，而且代表了当时水泵组合所能提供给水系统的出口流量Qt(在计算每种工况的出口流量时，近似忽略了由于水泵并联运行所造成的流量损失)。即这个数越大，则出口流量越大；这个数越小，出口流量越小。由此找到了根据用户用量大小，调节系统的出水流量以保证稳压给水的方法，其工作原理是：电接点压力表设定上限压力H2、下限压力H1，由H1与H2构成了压力稳定区间。如实际水压H偏低，H＜H1时，可编程控制器按表1所示二进制数a3a2a1a0的递增规律切换水泵组合的工作状态，增加系统出水流量，水压上升直到H≥H1，如水压H偏高，H＞H2时，可编程控制器按a3a2a1a0递减规律切换水泵组合的工作状态，减少系统流量，水压下降直至H＜H2。这样正常工作时H1＜H＜H2，供水系统的实际水压H就被稳定在H2与H1所规定的范围之内，达到稳定水压之目的。
利用这种技术，在稳压精度不高，用水负荷波动不太频繁情况下，不使用变频调速器亦可稳压供水。但当稳压精度较高时，如不使用变频调速器，就 须配备较多的水泵(当然水泵的数目比传统水泵并联组合方法大为减少)，对优化工程设计与方便施工十分不利。另外，用户负荷变化较大时，不使用变频调速器会造成水泵组合频繁切换，使系统的动态稳压精度大为下降，电机的不断启停使能耗加剧。综合评价较为理想的方案是把变频恒压给水技术与二进制变流量水泵组合稳压给水技术结合使用。
2、无负压自动给水设备水泵组合优化变频调速恒压给水方案
该无负压自动给水设备系统共有三台水泵(虚线所画水泵不计入)P0、P1、P2，其中P0与P1的额定流量为q，而P2的额定流量较大为2q，三台水泵的额定扬程相同。另外只有P0采用变频器连续控制转速，而P1与P2直接工频电源开关控制。
这样配备的无负压自动给水设备水泵系统与典型的变频恒压给水系统相比较，后者一般采用两台大小一致的相同水泵，一台变频调速控制、一台工频开关控制，多用了一台小水泵。但由于变频器所控制的水泵流量下降一倍，故所采用变频器的容量也大致下降一倍。实现了用容量小的变频器代替大容量的变频器，降低了整个系统的性能价格比。
对采用开关控制的水泵P1与P2，用数字1表示水泵工作，以数字0表示水泵停止工作，于是P1与P2的组合工作状态用一个两位的二进制数a2a1表示(如表2)。P0采用变频器连续调节电机转速，把它与P1P2的组合工作相结合，则整个给水系统的流量可以在0≤Qt≤4q的区间连续变化(计Qt时近似忽略了由于水泵并联所造成的流量损失)。表2与表1的不同之处在于：由于变频调速水泵P0的加入，可以在0≤Qt≤4q的全流量范围内连续调节给水流量，故理论上可以实现高精度的恒压控制，而不是表1所描述的在一定范围内的稳压控制。同时，与传统的恒压变频调速给水系统相比较，变频器的设计选用容量可减小一半。因此，本方案兼具了二进制变流量水泵组合方案和典型变频调速恒压给水方案的优点。
若再增加一个容量为4q的水泵P3(虚线画出)，依据相同的工作原理，给水系统的出口流量可以在0＜Qt＜8q范围内连续调节，同时水压基本恒定(见表3)。
通过以上二例可以总结出，如给水系统的设计流量为Q，则可以把变频水泵的容量设计成q=Q/2n(n=1、2、3……)。同时再配备n台工频电源开关控制的水泵，这n台水泵的额定扬程相同且与变频水泵的扬程一致，但额定流量设计值却是两倍递变，即从小到大为：q、2q、4q……2n-1q。
由这(n+1)台水泵(1台变频调速控制，n台工频开关控制)构成的水泵组合优化变频调速给水系统，即实现在全流量变化范围内高质量的恒压给水，又把变频器的设计容量降为q=Q/2n，降低了变频器的工程预算价格，提高了整个给水系统的性能价格比。
3、结论
本文提出了无负压自动给水设备水泵组合优化变频调速给水方案。它既保留了变频调速方案的优点：全流量范围内可以实现高精度的恒压给水，又利用水泵组合技术大大降低了变频器选用容量，提高了系统的性能价格比。
无负压自动给水设备概述
无负压自动给水设备直接以市政管网为水源、形成连续密闭的接力增压供水方式， 避免了传统2次增压供水系统造成的水质标准降低和各种水源污染问题， 保持了市政水源的水质标准充分利用市政水源本身压力热能，差多少补多少，切实有效地、较大限度地发挥了变频调速的节能效果。
无负压自动给水设备的优点：
（1）高效节能：充分利用市政水源本身具有的压力热能，差多少补多少，切实有效地、较大限度地发挥了变频调速的节能效果。
（2）洁净卫生：构成连续密闭的增压供水方式， 保持了市政水源的国家水质卫生标准，从根本上避免了增压系统造成的水质标准降低和各种水源污染问题。
（3）无负压自动给水设备可以避免浪费：不仅淘汰了高位水箱，还 取消了地面（地下）水池水箱， 避免了水箱溢流，定期清洗造成的水源浪费。
（4）运行噪声低：系列产品采用全变频调整方案时，大部分时间特别在夜间处于低噪声运行工况。
（5）无负压自动给水设备设计了全密闭的、兼有缓冲作用和动态补偿作用的水源箱罐，与目前市场所谓无负压罐相比，更具有实际意义，并使控制系统得以简化。
（6）设备控制系统充分总结了本公司及国内外变频给水设备的设计制造经验，采用规范通用的控制系统技术方案，可换用任意厂商的变频器、调节器、PLC和其他元器件，调试维修特别方便，为产品的终身售后服务奠定了良好基础，不会因技术进步而导致售后服务问题。
（7）无负压自动给水设备控制系统具有较高智能性，设计中充分考虑了机、电、仪协调配合，具有欲速则不达的检测监视和简单方便的人机交互功能。具有全面的故障保护功能和对策，变频器故障保护时，自动降级运行（成为工频自动给水设备），自动系统故障时，还可手动操作应急备用，赢得维修时间。
（8）设备可按要求选配各种通讯接口、协议，从而可连接各种人机界面、监控计算机，可与各种控制网络，通信网络相接，适用于特殊、复杂的运行控制和联网监控要求。可为用户开发配套监控软件。
无负压自动给水设备运行原理
无负压自动给水设备的应用，是以市政管网为水源，形成密闭的连续接力增压供水方式，其应用与通常的经水池（水箱）中转二次增压供水设备相比大为不同。
为了减小直接抽吸对市政供水的影响，一般应在设备入口管道上串接一个承压贮水容器。主要起缓冲作用（动态补偿作用）的水罐称为缓冲罐；平时无动态缓冲作用仅在市政管无水压时才起备用水源作用的水罐称为水源罐。大容积的承压水池也是水源罐的一种形式（一般采用钢筋混凝土现场施工建造。
配套缓冲罐的接力增压设备与配套水源罐的接力增压设备运行原理有一定差异，下面分别予以说明。
1、配套缓冲罐的设备
无负压自动给水设备说明
成套设备一般由缓冲罐、水泵机组、气压罐控制柜及控制仪表组成，各部分说明如下：
a、缓冲罐：是接在设备入口处的气压罐，简称缓冲罐，给水运行时罐内部分容积为压缩空气，靠压缩空气的贮能，对各种突变冲击具有很好的减缓消除作用，同时对市政供水具有一定动态补偿作用。
有2种不同结构的缓冲罐，隔膜缓冲罐采用 橡胶隔膜材料，因 全密闭更有利于保持水质标准，普通钢制缓冲罐内壁涂有符合卫生标准的防腐涂料，但补气时会与外界空气接触。
缓冲罐即可串接使用 ，也可并接使用
b、水泵机组：选用本公司具有非过载特性的水泵，其工作特性可以适应水源的较大范围内的压力变化，不会产生过载现象。
c、气压罐：其作用与通常2次增压供水设备中的气压罐相同，本系列标准产品采用的隔膜式微型气压罐，主要利用其保压功能，有利于设备的智能化自动节能控制。
d、变频控制柜：可采用全变频控制系统，即所有水泵均采用变频调速拖动，也可采用部分变频控制系统（样本标准产品只有1台泵为变频调速拖动）。
e、旁通管路：如果市政供水平时能够满足水压要求，仅在供水高峰时压力不足，可加载旁通管路，可使市政下拉供水与增压供水实现自动切换运行。
（1）当市政管网高压时，设备处于停机状态，市政水源过缓冲罐、旁通管路直接向用户管网供水。
（2）当市政管网欠压时，设备自动启动，在原不水压基础上变频调速增压（恒压）供水，由于是按“差多少，补多少”的原则增压，所以在全流量范围即满足了用户恒压供水的需求，同时又实现了高效节能运行。运行过程中密闭的缓冲罐相当一段管路，新鲜卫生的自来淼不断流过水源罐，不会遭受外界污染。
（3）设备运行中，缓冲罐部分容积为压缩空气（其压力与市政水
压相同），因而贮存了一定压力势能，靠此贮能可大大减缓各种冲击对市政水源的影响，同时对市政供水具有动态的削峰补偿作用。当市政服务压力从P2降至P1时，缓冲罐提供的较大补偿水量与缓冲罐总容积关系为：
V＃＝（1-P1/P2） V总＝KV总
V＃－供水高峰市政压力从P2降至P1期间水源罐给出的补偿水量（m3）
P1－市政供水高峰期较低压力
P2－市政供水高峰期前的压力
V总－水源罐的总容积（m3）
例：供水高峰期，市政水源压力从20mH2O降至mH2O，则在该期间水源罐给出的补偿水量为
V＃＝（1-15/30） V总＝0.5V总（m3），占总容积的50％。显然这是一种切实有效的动态补偿作用，如果所有用户的增压设备均具有这种补偿作用，则总体上对市政供水可起到一定削峰填谷的效果，高峰期间管网服务压力不至于下降得太低。
（4）缓冲罐上配有控制仪表，当市政管网压力低于设定下限值时可自动停机（禁止运行），防止过度抽吸市政水源及防止抽水运行。
2、配套水源罐的设备
无负压自动给水设备说明
成套设备一般由自动隔离阀（选购件）、水源罐（或承压水池）、水泵机组、气压罐、变频控制柜（含控制仪表）组成。各部分说明如下：
a、自动隔离阀或节流装置（选购件）：用于隔离市政水源，可任意设定动作压力，当市政水源压力低于该值时，隔离装置动作，切换到水源罐或承压水池供水。也可考虑使用廉价的节流装置代替隔离阀，限制较大进水流量，供水不足部分靠水源罐补偿。
b、水源罐：给水运行时罐内全部容积充满了水，由于无压缩空气贮能，对各种冲击的缓冲作用和对市政水源的动态补偿效果不如缓冲罐。但当市政水源压力太低，水源罐出水（供水）大于进水量时，罐内贮水容积可全部用来补偿市政水源的不足。
水源罐提供补偿水量期间，靠真空抑制器使空气自动进入罐体，可避免对高下管网造成负压抽吸作用（即所谓无负压无吸程）。
水源罐只能串接在进水管路中使用。
c、承压水池：一般为钢筋混凝土结构，与水源罐工作原理相同，因其容积大，对市政供水具有很好的削峰填谷作用，适用于全国各地各种市政水源情况。当市政供水管网因故停水期间可由承压水池提供一定时间的供水水源，适用于客户要求高可靠供水的场合。
d、水泵机组：选用本公司具有非过载特性的水泵，其工作特性可适应市政水源的较大范围内的压力变化，不会产生过载现象。
e、气压罐：其作用与通常2次增压供水设备中的气压罐相同，标准产品设计中采用隔膜微型气压罐，主要利用其保压功能，有利于设备的智能化自动节能控制。
f、变频控制柜：可选择采用全变频技术方案，即所有水泵均采用变频拖动，也可采用部分变频技术方案（只有一台泵为变频调速拖动）。
g、旁通管路：如果市政供水平时满足水气要求，仅在供水高峰时压力不足，可加载旁通管路，使市政直接供水与增压供水自动切换运行。
无负压自动给水设备运行说明
（1）当市政管网高压时，设备处于停机状态，市政水源通过水源罐、旁通管路直接向用户管网供水。
（2）当市政管网欠压时，设备自动启动，在原有水压基础上变频调速增压（恒压）供水，由于按“差多少，补多少”原则增压，所以在全流量范围即满足了用户恒压供水的需求，同时又实现了高效节能运行。运行过程中密闭的海洋法罐只相当于一段管路，新鲜卫生的自来水不断流过水源罐（或承压水池），不会遭受外界污染。
（3）当市政水源压力太低，自来水进水小于设备供水（水源罐出水）时，靠水源罐贮水容积来补偿市政水源的不足。水源罐提供的较大补偿水量与水源罐总容积相同V补＝V总。
水源罐提供补偿水量期间，靠真空抑制（自动进、排气阀），使空气自动进入罐体，可避免对市政管网造成负 抽吸作用（即所谓无负压无吸程），并可保证水源罐容积全部被有效利用。
（4）为进一步减小直接抽吸对市政水源的影响，可选购一只水源隔离阀及控制仪表，从而可任意设定允许抽吸的较低压力，当市政水源入口压力降到允许抽吸的较低压力时，水源隔离装轩会自动启动，设备将切换到以补偿罐为水源自动供水。也可考虑选购廉价的节流装置代替隔离阀，限制自来水进水流量，供水不足部分靠水源罐补偿。
（5）市政水源因故停水且水源罐贮水也己消耗完，设备会自动停机（禁止运行）。水源正常后自动恢复运行。
