“JMT無負壓給水設備”技術研究報告

2015-11-20 來源:北京精銘泰工程技術開發有限公司總工程師:馬戍環

一、      研究的目的意義

       城鎮供水的“水質安全”是關系到廣大城鎮居民身體健康、生命安全、社會穩定和經濟發展的重大問題。為此,國家將“水質污染控制技術與治理工程”列為國家“十五”期間12個重大科技專項之一。將“提高供水安全保障程度”列為國家重點資助領域,特別強調要“開展安全飲用水保障供給技術”的專項研究。

       我國大部分城鎮供水系統,由于供水管網覆蓋面積大并采用二次加壓方式供水,經過水廠嚴格凈化處理及消毒的符合國家生活飲用水水質衛生標準的自來水,在輸送、蓄儲和二次加壓過程中會產生二次污染而影響供水水質安全。目前,我國大多數城鎮供水系統經過多年的管網改造及水質管理等大量工作,使管網水質合格率達到了國家標準。但是,二次污染事故仍大量出現在二次加壓環節上,其中,貯水池和高位水箱是主要的污染源。因此,開發出可以取消水池根除二次污染的新型供水設備,取代傳統型的高位水箱式、氣壓給水方式和常用變頻調速供水設備,必然會具有廣闊的市場前景,并會產生良好的社會效益和經濟效益。

        我公司針對徹底根除二次污染,保障水質安全這一具有重大意義的課題,提出了“將自來水直接到戶”的供水模式作為一項系統工程來研究的計劃,開展了多項課題研究工作,“JMT無負壓給水”新產品的開發就是其中之一。

       本課題的主要研究目的是為了在供水管網上直接串接水泵加壓送水,從而取消水池、水箱等水體暴露貯留等產生二次污染的中間過程,在全密閉的環境下,將合格的自來水直供到用戶的每一個水嘴。然而,這種從管網中直接串泵抽水的方式一直是供水系統的禁區。國家城鎮供水條列規定“禁止在城市公共供水管道上直接裝泵抽水”其主要理由是水泵直接抽水會在管路中產生負壓或稱真空現象,使管路壓力陡降,波及相鄰的用水戶正常用水,還會產生管道回流、積氣、振蕩、水錘等影響管網供水安全的副作用。因此,“無負壓”是產品開發研究的首先要解決的問題。

       然而,本課題的研究并沒局限于簡單的消除負壓的具體技術手段的研究上,而是從整個城市供水系統最終實現直接供水模式的系統性、完整性來定位無負壓供水設備的功能、性能和技術指標并進行更深層次的研究和實驗,以使得新產品具有先進性、實用性和廣泛的適用性,以理論上和實踐上的說服力,真正的被業界接受和歡迎。

 

二、      國內外研究概況、水平和發展趨勢

       國內“無負壓供水設備”的研究成果已在1997年以專利產品的方式推出。近幾年來陸續有新廠家推出同類產品。國外關于此類產品和技術的研究從八十年代后期開始,其中,日本在1990年就已經將取消中間水池、水槽、高位水箱為目標的直接供水系統的構筑作為國家行政層面的方針政策予以推動。將其作為面向“21世紀水道整備的長期目標”。在國家政策引領和推動下,不少城市,例如名古屋市、橫須賀市、神戶市等供水系統實現了直接供水到戶。有關“直供水管道水頭損失的研究”、“水泵直抽水影響模型”、“直串水泵及復數泵啟動、運轉、停止、調速時管網波動的研究”以及與該系統配套的水泵、止回閥等設備的研究等方面,都有很多成果可供參考和借鑒。

       管網直接供水到戶,是根治二次污染的最徹底、最經濟、最具保證和最可信賴的方式,是城鎮供水系統的發展方向。因此該類技術產品市場前景十分廣闊。然而,直接供水方式是一個從水廠送水――配水管網――串泵加壓――終端用戶水嘴的連續流程,是一項涉及諸多技術課題的系統工程。如果無計劃地盲目推廣“無負壓二次供水設備”,很可能會使系統的隱性問題暴露對全體產生不安定的影響。所以,一些城市在有條件準入的同時,開展了相關的研究工作。

 

三、      項目的主要內容和關鍵技術

       目前國內的稱之為“無負壓(無吸程)二次加壓供水設備”大多采用“真空補償器”等類閥門自動補氣的方式。在管路或儲水罐中產生負壓時自動打開閥門,吸入大氣,破壞真空,使原先密封的儲水罐等效為一個開口容器。這是一個產生負壓后再消除負壓的過程。而本項目所研究的是消除負壓生成條件使設備運轉時不產生負壓的新方法。并且可在管網約束條件下運行,避免對管網的不良沖擊,保證管網內流態的穩定平滑的變化,使管網安定運行,為了這一目標的實現,本課題確定研究內容如下:

1、深入研究負壓生成機理的基礎上,提出消除負壓生成條件并使其根本不產生負壓的設計理念。并以此進行總體設計。

2、水路系統的研究和設計。包括動態過程對水泵能力和特性影響、泵吸側的影響、多臺水泵并聯的影響,水泵的脈動問題,對水表精度的影響,止回閥的功能,以及進水管、緩沖水罐、出水能力等最佳配置參數,在此研究實驗的基礎上,提出水路計算的原則和方法。

3、自動控制原則和方式的研究。這需要解決的關鍵問題是滿足管網的約束條件、滿足用戶需求、根除負壓產生條件等三項原則的一種新的控制方式。避免系統出現調速振蕩,響應速度不當和抗干擾性能不良時使水流態喘振并可能產生管路負壓。

4、產品硬件和軟件的設計和開發是應用以上完成的理論成果和試驗結果開發出產品。本課題本著高起點,精益求精的原則,使產品具有高品質、高可靠性、實用性強、操作簡單。基本免維護的性能并符合國家有關供水設備的質量要求及技術標準。

 

四、JMT設備系統構成及工作原理:

1、進水壓力緩沖罐。

       穩定進水壓力,減緩管網壓力波動影響,補償因瞬變流態和水泵振蕩時的流量差。采用立式罐體,保持高于進出口1m以上的重力水頭,緩解水錘沖擊,罐體容積按水泵1分鐘水量計算,(試驗數椐,尚無優化理論和計算方法)。罐頂裝現場觀查壓力表及排氣閥,運轉中無需補氣和排氣。

2、進水口壓力變送器,將壓力轉換為標準電信號參予控制過程演算。并依演算結果限定水泵出水量。

3、在罐體上留有DN100法蘭接口,作為消毒設備接合口。

4、在水泵進水口匯合管側裝有快裝卡箍盲板,作為設備放空口。

6、旁通管在設備因停電或檢修時將自來水壓頭送至用戶,不致全區無水。

7、水泵為1用1備配置,1臺泵按用戶最大需量選型,滿足用戶需求。不采用流量不足時加開定速泵的傳統切換方式。水泵軟啟動、軟停止、防止流態突變。

8、依據北京市衛生局文件要求,進水管段上加裝倒流防止器和過濾閥。

9、當出水壓力過高或管路較長時,在出水總管上增設緩閉止回閥,作為防水錘、防倒流的第一道防線。

 

五、“JMT無負壓給水設備”研究成果綜述

1、獨創性的提出了“根本不產生負壓而不是產生了負壓再消除它”的設計理念及設計計算方法。

壓力管路中串泵抽水時產生負壓的條件是在水力過渡過程中進口水量Q1小于出口水量Q2時出現水柱分離及再彌合現象從而破壞了非恒定流動的連續性,即負壓生成。“負壓”是管路氣囊、氣阻、水錘、壓力振蕩等危及管網安全的主要隱患。

       JMT設備是在對水力過渡過程深入研究的基礎上提出了求解最不利參數的數學模型并依此設計了穩定流態(無瞬變流態)的控制模型,使水泵在約束條件下軟啟動、軟停止、平滑調速、穩態切換,甚至在水泵失控、故障、出水管路斷裂等極端狀態下均不會破壞管網的穩定流態,因而不會產生負壓。

2、首次提出了“管網安全保障和滿足管網約束條件”的功能要求。

       無負壓供水設備的推廣應用過程至今已有八、九年之久,其間,自來水公司對該類設備準入持有疑慮是影響產品推廣使用的重要原因。對管網串接水泵設備后的安全問題有疑慮是很自然的事情。因為原來的供水管網服務界限是以水表前后清楚地劃分開來,水表后的水池、加壓設備屬用戶自行建設、使用和管理,管網將合格的水送入水池后則可無慮。而使用了管網直接加壓到戶方式后,沒有了水池的隔離帶,相當于供水管網的擴展和延長,設備及其出水管路的故障則會立即沖擊管網,影響管網系統的運行形態,產生顯性或隱性的系統不安定工況或出現局部影響大片地區用水的可能。對于這種顧慮,只提出“無負壓”一個定性的概念和對策是說服力不夠的。另外,取消了水池之后,用戶方的高峰水量都直接向管網索取,一旦水泵失控,也會以水泵最大流量取水,如果管網不能定量地約束這些狀態,是無法讓自來水企業放心的。

       JMT設備的管網安全保障對策是使設備保證不超過管網規定給用戶的取水流量或管網允許的供水壓力的約束條件下運轉,并在穩定流態控制,防水錘措施及防止倒流閥門的設置等綜合對策下,使管網在設備運行、水泵及電氣故障、突然停電、管網停水等可以預見的各種狀況下都能不受沖擊,不會使局部故障上逆而泱及全局。

3、水泵出水口恒壓或給水管路末端恒壓控制方式的研究,取得了創新的成果。

       水泵調速系統受工況的改變、負荷的波動以及多擾動、非線性等多因素的影響,很難建立起控制模型作精確的定量分析,一般將水泵水壓建立過程的數字模型作為一個純滯后的一階慣性環節,采用傳統的PI控制方式,往往動態性能較差。而“無負壓給水系統”又增加了管網壓力擾動的不確定擾動因素,更加使動態性的變壞。

       JMT設備采用FUZZY和PI兩種算法結合的復合控制方式,在大偏差范圍內FUZZY控制,小偏差PI控制,在控制進入穩態后采用PI控制以消除管網壓力波動而導致系統振蕩。在控制參數的設定上,針對給水系統的特點,適當放寬對穩定精度和響應速度的要求,在可以滿足用戶用水要求的前題下,最大限度地減少調節振蕩過程,實行平滑的壓力調節。

4、JMT設備齊全完善的自動控制功能,體現了以人為本的設計思想,讓用戶在不用擔心、不用干預下連續用水。

JMT全自動功能有:

A、“一撳式”開泵操作

B、24小時定時切換備用泵,以防死水滯留影響水質。切換在用水低谷時進行。

C、自來水管網斷水時自動停泵,來水后自動啟泵,不須人工干預。

D、工作水泵出水故障時切換到備用泵,減少停水時間。

E、變頻器故障后自動復位后再啟動備用泵。

F、電力系統停電時,來電后再啟動。

5、在JMT設備的設計思想上,將它定位為“自來水管網上的一個終端設備”,為了實現自來水公司供水一體化管理和優質服務(供水安定、平穩、水壓充足、水質良好、節水節電為目標)的供水體制作好技術準備,推動被稱為面向21世紀的管網直接供水系統方式的發展。為此,我們還設計了數據采集、積累、模型演算及向供水公司遠傳數據的功能模塊,使設備能向總公司報告終端信息,彌補管網上壓力監測點數量的不足,這些數據可供“供水優化調度”、“管網規劃和設計”、“管網漏水檢知”、“水量分析”等信息化管理工作活用。

六、推廣應用前景、經濟效益和社會效益

       由于城市建設不斷發展,農村城鎮化發展趨勢迅猛,供水設備市場需求量巨大。本產品具有取代傳統產品,成為市場主流產品的明顯優勢,所以推廣前景十分廣闊。

       本項目的推廣,能使居民放心的用上沒有水質污染的新鮮潔凈的自來水,提高居民對政府提供的社會公共產品的滿意度。會產生良好的社會效益。

       房地產開發商,應用該產品,可以減少占地和修建水池,節省投資,并可免去物業管理中清刷水池、消毒等麻煩的運行管理工作和費用。居民戶不但會獲得水質好、水壓足、不斷水的優質供水服務而且由于充分利用了管網水頭,節電效益顯著。城鎮自來水公司,由于本產品的應用,則完全可能做到供水到戶。改變過去“不管二次加壓的”傳統模式,延伸自來水企業的服務范圍,讓方便和實惠于民,并獲得企業擴大服務而帶來的經濟效益。

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