管网直联无负压供水系统的设计

徐巍

（南京轻纺产业（集团）有限公司，江苏 南京 210018）

0 引言

通常，城镇市政管网供水压力都是以满足普通多层建筑要求来设定水厂供水压力的。当今城市建筑高度快速增长，多数建筑都必须采用二次加压供水方式满足供水需求。

我国城市二次增压供水方式经历了“蓄水池、加压泵、水塔”、“蓄水池、加压泵、高位水箱”、“蓄水池、加压泵、气压罐”和“蓄水池或蓄水箱、变频调速加压机组”等四个发展阶段。目前南京“蓄水池、加压泵、水塔”供水方式基本绝迹，其他三种二次加压供水方式都有使用，现采用较多的是“蓄水池或蓄水箱、变频调速加压机组”供水方式，而直接式管网叠压供水方式则刚刚起步。

在管网上直接水泵加压，以往一直是供水系统的禁区。其主要原因是:在供水能力不足以满足高峰用水量时，需要分散的贮水池可起到调峰的作用;水泵直抽会在进水口产生负压（或称真空现象），出现个体超量取水，使管网压力陡降，波及相邻用户的正常用水。

如果能从技术上解决这两个问题，管网直接水泵加压供水方式则是可行的。

随着国民经济的高速发展，近年来城市供水系统通过水源工程、水厂建设、管网更新改造等项目，大大提高了供水能力，已可以满足高峰用水量的需求，无需再依赖用户的贮水池调峰。在供水能力已具备直接串连泵加压的基础条件下，还需要通过技术和设备的改进，消除管路中负压的产生条件，使其根本就不产生负压。

依照这一思路，应用智能化控制和变频调速等高新技术，实现无负压的控制目标就不难做到。这样，管网中合格的自来水可以在全密闭的管路中直接送到用户的水龙头，水体不暴露、不储留，从根本上消除了二次污染。同时，管网的压力可与水泵水头叠加利用（即管网有多少压力都能利用），从而大幅度降低了水泵功耗，节省了电能（50%-70%），降低了加压成本，使用户得到了经济上的实惠。

管网直联无负压供水方式是在传统变频恒压供水系统的基础上发展起来的一种新型供水方式，它不是水泵、管件阀门、罐体和控制柜的简单组合，而是集机械、电子、信息、自控技术为一体的高科技产品。随着二次增压供水概念和无负压技术研究的深入，目前已进入“管网直联无负压供水方式”的新时期。

1 传统供水方式和无负压供水的比较

a）传统的变频恒压供水方式的原理是先将原有压力的自来水放到低位水箱中，变成零压力的静水，再由成套变频调速泵组从零压力加压至各个用水网点。这种供水方式虽然能满足用水压力的稳定性和可靠性，但存在以下不足:

1）浪费能源。自来水原有的压力不能充分利用，二次加压系统又从零开始加压，造成了能源的浪费。

2）运行费用高。由于加压泵从水箱中抽吸的是无压水，与加压泵直接从自来水管网吸水相比，加压泵的选型增大，运行能耗和运行费用提高。

3）一次性投资大。传统的供水方式都设有容积较大的地下蓄水池或蓄水箱，不仅需要大量的土建投资，而且由于加压泵的选型增大，设备的购置和安装费用增加。

4）占地面积大。修建蓄水池或蓄水箱都需占用土地或建筑物面积。

5）修建蓄水池施工难度大，工程量大，施工周期长，需投入大量的人力和物力。水池最容易出现渗漏，而一旦出现渗漏现象，往往难以修复，后期维护困难。

6）水质清洁难以保证。由于低位水箱的材质问题、以及水流会产生死角，这些都容易滋生藻类;且低位水箱属敞开式结构，与空气相通，容易造成二次污染，需定期清洗消毒。

b）无负压供水（又叫管网叠压供水）设备串接在自来水管网与用户管网之间，通过真空消除器破坏负压形成，保证水泵运转抽水过程中不对自来水管网产生吸力。

无负压供水与传统供水相比具备以下优点:

1）节约能源。无负压供水设备与自来水管网直接串接，在自来水管网剩余压力的基础上叠加不够部分的压力，能充分利用自来水管网余压，不造成能源的浪费。

2）设备运行成本低。由于加压泵的选型小，且采用多泵制，在用水低谷期，一台泵已足够满足用户用水水压与流量的要求，用水高峰时才会启动其他泵，因此降低了运行成本。与传统给水设备比，节能达50%;不需定期清洗消毒，不浪费水资源和人力资源，节约了维护费用。

3）节省投资。由于无需修建大型蓄水池或蓄水箱，节省了土建投资;又由于利用了自来水给水管网的余压，因此加压泵的选型较传统的给水方式小，减少了设备投资。

4）占地面积小。因为省去了蓄水池或蓄水箱，因而缩小了占地面积。

5）管理方便、简单。无负压供水设备为数字控制全自动运行，停电停水时自动停机，来电来水时自动开机，便于管理。

6）环保卫生、无二次污染。无负压供水设备的运行全密封，可防止灰尘等异物进入给水系统;负压消除器的ZP膜滤装置可将空气中的细菌挡住，稳压平衡器采用食品级不锈钢制作，不会滋生藻类，满足人们对水质高标准的要求。

2 无负压供水系统工作原理

节能减排是当今世界热门趋势，无负压供水设备充分利用自来水管网的原有压力能源，在同样供水需求的情况下，可以选用功率相对较小的水泵及控制设备，相比较于传统的带水池的供水设备可节约大量的电能运行成本及投资成本。

由于直接在自来水原有压力上加压，所以自来水压力与设备耗能紧密联系。自来水压力越低，耗能越多;自来水压力越高，耗能越少;自来水压力达到用户需求时，设备停止无耗能（此种情况很少出现，只有在用水量很少的夜间，用户水量少，由无负压配套气压罐贮存的水短时调节）。

市政管网压力通常在2.5 kg左右，能够满足1-5层住宅需求，再往上就要通过泵加压才可满足。所以设计中，在当地自来水供水压力范围内的低层用户都由自来水市政管网直供;自来水市政管网压力供不上的用户通过无负压增压供水，无负压出口的气压罐只能调节少量水量，如果实际用水量不太大，为避免主泵频繁启动，夜间小流量时可配置稳压泵，确保用水安全。

自来水市政管网短时不能满足用水量需求，由无负压稳流调节罐内的贮水补给;市政管网长时间不能满足用水量需求，无负压稳流补偿器的贮水用尽后，设备自动保护停止，有水后自动恢复运行。

无负压供水系统主要由稳流调节器、负压抑制器、水泵、控制系统（变频器、可编程控制器、压力变送器等）和管件阀门等组成（图1）。

图1 无负压供水系统示意图

设备直接串接到市政管网上直接增压，调节罐的真空消除是关键，依靠罐上真空消除器在罐内水被抽空时及时消除罐内真空，从而达到罐内外压力平稳，由此不对市政管网造成负压影响，不影响其他市政管道用户的正常用水。

在市政管网与水泵吸入口之间的稳流调节器为密闭容器，此特制容器使自来水与空气完全隔绝，从而保证了供水品质;稳流调节器主要实现整个供水系统增压稳流功能，同时联动负压抑制器同时工作，保证整个系统安全运行。

无负压供水系统工作原理（图2）

图2 系统工作原理图

智能控制系统核心是可编程控制器，以及程序软件的编制及设计。管网直联无负压供水系统采用先进的可编程控制器，根据采集的稳流调节器内控制信号，一方面微电脑程序控制水泵，保证设备运行中不产生流量突变，使连续性流态不被破坏;另一方面通过微电脑控制系统实时联合控制稳流调节器和负压抑制器动作执行部件自动调节，使稳流调节器内压力平衡，抑制管网内负压的产生。

无负压供水基本原理是通过安装在系统中的压力检测装置将管网压力信号与设定值进行比较，再通过控制器调节变频器输出，实施水泵的无极调速和调节水泵的运行数量，使系统水压在水流量变化时，仍稳定在设定的范围内。

3 无负压供水系统的控制设计

a）系统主电路图

主电路如图3所示。接触器KM1～KM3分别控制水泵电动机M1～M3的工频运行，接触器KM4～KM6分别控制M1～M3的变频运行，KH1～KH3分别为M1～M3的过载保护用的热继电器。

图3 系统主电路图

在变频运行方式中，三相电源经隔离开关接至变频器的R、S、T端，变频器的输出端U、V、W通过接触器的触点接至电动机，每台电动机的变频和工频两个回路不允许同时接通。当电动机接通工频回路时，变频回路接触器的触点必须先行断开。同样从工频转为变频时，也必须先将工频接触器断开，才允许接通变频器输出端接触器，所以KM1和KM4，KM2和KM5，KM3和KM6绝对不能同时动作，相互之间必须可靠互锁。

b）PLC接线图

PLC是无负压变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入信号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换，它控制着整个系统的运行。在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。由于无负压供水自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC系统选用了德国SIEMENS公司的S7-200型主控模块CPU224和模拟量模块EM235。PLC的I/O接线图如图4、图5所示。

系统采用循环变频运行方式，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵在工频恒速运行（或不运行），如果变频泵连续运行超过设定时间（3 h），则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。因此在同一时间内只有1台水泵工作在变频下，但不同时间段内3台水泵都可轮流做变频泵。考虑节能和水泵寿命的因素，各水泵切换遵循先启动先停止、先停止先启动原则。

压力传感器的信号送入模拟量扩展模块，经转换为数字量后，送至PLC

c）控制线路图

系统对水泵操作设置了手动/自动控制功能、报警功能，并能显示运行状况。手动控制通常只在应急或检修时临时使用。系统控制电路图如图6所示。

图中SA1为手动/自动转换开关。在手动状态，可以按钮SB1-SB6控制三台水泵的起停。在自动状态，系统在PLC程序控制下运行。

d）变频器的选择

变频器是系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电动机转速的调节，从而改变出水量。系统选用ABB-ACS510变频器，通过PLC模拟量模块EM235输出端子来控制变频器的频率，从而达到电动机转速跟随压力给定，实现电动机的无级调速，使水量连续变化，保证管网水压的恒定。

传感器检测水压，压力设定为系统的水压期望值。压力

图6 系统控制电路图

设定值和压力反馈值送变频器的PID回路，经PID运算后输出给变频器一个转速调节信号。

e）TD400文本显示器

供水压力及市政管网进水状态等参数需实时显示或设定，采用一台西门子TD400文本显示器作为人机界面。该显示器用输入键可方便地对过程参数进行设定和修改，并提供密码保护功能。通过对TD400进行编程组态，可方便地进行压力上下限设定;动态显示当前管网压力、水泵运行状态及报警提示信息，便于工作人员监测。

f）系统自动控制工作流程

无负压供水系统自动控制工作流程如图7所示。

图7 系统自动控制工作流程图

当启动设备使其在自动控制状态运行时，PLC自动开机自检，在确定电压正常、进水压力正常、无各报警信号后，首先启动水泵Ml进行变频工作，根据压力传感器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率，控制变频泵的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间水泵Ml工作在调速运行状态。

当用水量增加水压减小时，压力传感器反馈的水压信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵的转速增大，供水量增大，最终水泵的转速达到另一个新的稳定值。反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。

当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50 Hz时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，且持续5 min以上（以便消除水压波动的干扰），则水泵Ml由变频转工频，启动下一台水泵M2变频运行，系统通过对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，满足增加水泵的条件，将继续发生如上转换，将另一台工频泵M3投入运行，变频器输出频率达到上限频率50 Hz时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。

当用水量下降水压升高时，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于设定压力值，且持续5 min以上，这时停止先启动的工频水泵，保证先启动先停止，系统通过对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换。

当没有进水时即进水压力为零时，设备自动停机，以保护水泵及电动机。

当出现用户用水量增大或爆管现象时即水泵全部启动且时间超过设定的要求还是达不到设定的压力时，自行报警。

当断电后，再来电时，PLC通电自检后，启动设备按停止前的设定压力进行恒压供水。

4 结语

选用可编程序控制器（PLC）为主控器，变频器为执行机构，利用真空消除技术，完成了基于PID的管网直联无负压供水系统的软硬件设计。实现管网压力的准确采集，自动调节水泵的转速和多台水泵的投入和退出，使系统主干管出口端的压力基本保持在设定范围内。其优点是系统启动平稳，运行成本低，节能环保，管理方便，易于维护，延长了泵和阀门等设备的使用寿命。该无负压供水系统投入运行后，各项指标达到了设计目标，满足了用户对供水品质和供水系统的可靠性要求。

［1］许翏，王淑英.电器控制与PLC控制技术［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［2］杨后川，张学民，陈勇，等.SIMATIC S7-200可编程控制器原理与应用［M］.北京:北京航天航空大学出版社，2008.

［3］姚福来，孙鹤旭，杨鹏，等.变频器、PLC及组态软件实用技术速成教程［M］.北京:机械工业出版社，2010.

［4］张万忠，刘明芹.电器与PLC控制技术［M］.北京:化学工业出版社，2003.

［5］崔坚.西门子S7可编程序控制器-STEP编程指南［M］.北京:机械工业出版社，2010.