無(wú)負(fù)壓給水設(shè)備應(yīng)具有兩項(xiàng)基本功能。一是“無(wú)負(fù)壓”功能,即不使取水管路中產(chǎn)生負(fù)壓,二是控制水泵增壓送水,滿(mǎn)足用水端的壓力和流量需求。有一種觀點(diǎn)認(rèn)為：在傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水設(shè)備的前端，增加上“無(wú)負(fù)壓”的技術(shù)措施就成為了具有兩項(xiàng)功能的無(wú)負(fù)壓給水設(shè)備。對(duì)于把這項(xiàng)新技術(shù)簡(jiǎn)單化的觀點(diǎn),筆者不敢茍同。因?yàn)?當(dāng)水泵直接由管網(wǎng)抽水,在疊加管網(wǎng)壓力的工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，水泵的特性及控制系統(tǒng)特性均有所變化，與水池取水加壓時(shí)有很多不同。同時(shí),水泵進(jìn)水的管路(管網(wǎng))與水泵出水管路緊密連接,形成了流體連續(xù)輸送,壓力直接傳遞的動(dòng)態(tài)過(guò)程。這些是傳統(tǒng)的變頻調(diào)速技術(shù)所未曾涉及的新課題.是無(wú)負(fù)壓供水設(shè)備自身特點(diǎn)所產(chǎn)生的新的問(wèn)題點(diǎn)。

本文將其歸納為三點(diǎn)，論述如下：       

1. 管網(wǎng)疊壓的不確定性造成選泵困惑及運(yùn)行中不良工況的出現(xiàn)。水泵吸水口可疊加的壓力知多少?是較難準(zhǔn)確定量的問(wèn)題。在設(shè)計(jì)選泵時(shí),有可能無(wú)法得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),因?yàn)楣芫W(wǎng)壓力并非穩(wěn)定,而是受很多因素的影響而變動(dòng),如管網(wǎng)供水“時(shí)變化曲線(xiàn)”的高峰和低谷,管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度跟蹤用水量變化不及時(shí)；管網(wǎng)因工事或維修關(guān)閥倒閘改變送水路徑；管網(wǎng)受瞬變流的沖擊等情況均會(huì)使管網(wǎng)壓力變化,有時(shí)會(huì)幅度很大。另外,水泵可疊加的管網(wǎng)壓力是由管網(wǎng)在引水管接口處的壓力和引水管路阻力特性?xún)身?xiàng)數(shù)據(jù)決定的,是隨流量變化的函數(shù),也是一個(gè)變量。        

      從理論上講,選泵應(yīng)考慮“疊壓”因素。利用疊壓的條件,可使所選水泵額定壓力和功率降低,并使水泵疊壓后仍能在高效率區(qū)運(yùn)行,不出現(xiàn)超壓、過(guò)負(fù)荷等不良工況。但由于疊壓數(shù)值往往不能準(zhǔn)確采取而令人困惑。 主張不用考慮疊壓,按所需最大流量和最不利點(diǎn)所需壓力選泵的理由也很充分。因?yàn)榇蠖鄶?shù)無(wú)負(fù)壓設(shè)備在進(jìn)水罐上吸氣閥打開(kāi)或曰負(fù)壓消除器工作時(shí),水泵吸水口已無(wú)壓可疊。再者,如果管網(wǎng)方面常常不能保證選泵時(shí)所疊之壓力則水泵會(huì)無(wú)能力滿(mǎn)足用水需要。不考慮疊壓選泵而水泵要疊壓運(yùn)行則必需有技術(shù)上的對(duì)策。一方面需要控制水泵能夠在低頻率饋電下運(yùn)轉(zhuǎn)，而水泵電機(jī)在低頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有很多技術(shù)問(wèn)題,例如:電機(jī)的低頻饋電下發(fā)熱、低頻時(shí)機(jī)械共振、哨叫噪音、水泵在低頻小流量會(huì)偏離高效率區(qū)和穩(wěn)定工況區(qū),以及低轉(zhuǎn)速時(shí)水泵上端積氣,造成真空度跌落,使之升速時(shí)則不會(huì)出水,空攪泵殼體內(nèi)死水發(fā)熱等等。因此,不疊壓選泵時(shí)水泵可能長(zhǎng)期在低頻下運(yùn)轉(zhuǎn),就應(yīng)有針對(duì)水泵低頻運(yùn)轉(zhuǎn)工況的技術(shù)措施,避免上述問(wèn)題或故障的發(fā)生。同時(shí),因?yàn)樗迷诏B壓幅值較高時(shí)有可能出現(xiàn)高效區(qū)右端以外的不良工況使水泵超負(fù)荷或氣蝕區(qū)工作而產(chǎn)生故障,這就要求對(duì)水泵的允許運(yùn)行區(qū)間進(jìn)行控制,使其在規(guī)定的安全、高效范圍內(nèi)工作并滿(mǎn)足用水需求。       

       管網(wǎng)疊壓的不確定性,造成了水泵運(yùn)行工況難以把握。因此,關(guān)于無(wú)負(fù)壓給水設(shè)備如何配泵、如何控制、如何節(jié)電等,涉及運(yùn)行工況解析和控制特性分析的技術(shù)課題,是應(yīng)該深入研究的。        

2.   水泵工況受雙重?cái)_動(dòng),自動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變得更壞。傳統(tǒng)的變頻水泵控制 大多是水泵出口壓力恒定的控制模式。由于二次加壓系統(tǒng)的管路特性中幾何水頭(靜揚(yáng)程)占較大比例,管路阻力損失水頭相對(duì)較小,簡(jiǎn)單的出口恒壓控制,一般能夠滿(mǎn)足用戶(hù)調(diào)節(jié)流量的需要。因而自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)多用經(jīng)典控制理論的PID調(diào)節(jié)方式。由于水泵特性和工況的非線(xiàn)性改變和各種不確定的擾動(dòng)只能作定性分析,難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型,一般將水泵建立水壓過(guò)程作為一個(gè)純滯后的一個(gè)階慣性環(huán)節(jié)來(lái)計(jì)算采用PI調(diào)節(jié)方式。而這種方式,往往動(dòng)態(tài)性能較差。由于變頻調(diào)速供水設(shè)備的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中,只規(guī)定了一個(gè)“壓力控制精度不得超過(guò)±0.01MPa”的指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)自動(dòng)控制系統(tǒng)的品質(zhì)。所以系統(tǒng)只要靜態(tài)偏差達(dá)到指標(biāo)即為合格。其實(shí),忽略調(diào)速過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的要求,片面追求靜態(tài)偏差,甚至犧牲動(dòng)態(tài)品質(zhì)來(lái)完成靜偏差指標(biāo)是舍本逐末的事。因?yàn)閺挠脩?hù)用水要求來(lái)看,水泵壓力有些偏差,對(duì)用水的流量需求和舒適性的感覺(jué)都影響不大。例如：用戶(hù)打開(kāi)了一只DN15mm的水龍頭,每分鐘出水10～17升時(shí)用戶(hù)沒(méi)有不適的感覺(jué)，都會(huì)欣然接受。也就是對(duì)水咀柱上水頭沒(méi)有精確到0.01MPa的要求。而用戶(hù)對(duì)調(diào)速動(dòng)態(tài)特性的不良確有明顯的反感。例如動(dòng)態(tài)過(guò)程中壓力振蕩幅值過(guò)大、振蕩頻率太快、次數(shù)太多、周期太長(zhǎng)或壓力過(guò)高過(guò)低時(shí)響應(yīng)速度不夠等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等等。動(dòng)態(tài)過(guò)程不良造成的管路振蕩、水流喘振、忽大忽小、噴濺、噪音等都是令人難以接受的。更有甚者,在冷熱水混合用水器具上,冷水的振蕩幾乎使水溫?zé)o法調(diào)節(jié)……。

       由此可見(jiàn),決定變頻供水設(shè)備供水品質(zhì)的是控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。動(dòng)態(tài)特性不良的問(wèn)題在無(wú)負(fù)壓給水設(shè)備的控制系統(tǒng)中將變得更加嚴(yán)峻,這是因?yàn)樗茂B加管網(wǎng)壓力運(yùn)行時(shí),工況點(diǎn)的改變不僅受用戶(hù)流量調(diào)節(jié)時(shí)的擾動(dòng),而且受管網(wǎng)壓力波動(dòng)的影響,即受到來(lái)自進(jìn)水端和出水端兩個(gè)方向的雙重的擾動(dòng)。       

       用戶(hù)根據(jù)自己的需要,隨機(jī)性地開(kāi)啟、調(diào)節(jié)或關(guān)閉水咀。這種調(diào)節(jié)流量的動(dòng)作從理論上講是用戶(hù)用水操作改變了管路阻力特性曲線(xiàn)而使水泵工況改變,因而產(chǎn)生了偏離目標(biāo)壓力的擾動(dòng)或曰偏差。經(jīng)PI調(diào)節(jié)運(yùn)算后產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號(hào),調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)數(shù),使其重回設(shè)定值。一般情況下,用戶(hù)流量變化的需求是較緩慢的漸變過(guò)程,所以管路特性曲線(xiàn)變化比較平緩。這是PI調(diào)節(jié)可以應(yīng)付的特性。        

       而來(lái)自進(jìn)水端的管網(wǎng)壓力波動(dòng)則是另外一種情況。疊加在水泵上的管網(wǎng)壓力的變化,實(shí)際上是改變了水泵的特性曲線(xiàn),使工況點(diǎn)突變而偏離目標(biāo)壓力設(shè)定值,這是不同于前者的擾動(dòng)動(dòng)作。由于系統(tǒng)具有雙重的擾動(dòng),不同的偏差機(jī)理,不同的數(shù)學(xué)關(guān)系式,使用一個(gè)簡(jiǎn)單的PID傳統(tǒng)控制就企求良好的動(dòng)態(tài)特性是難以辦到的。因此,把無(wú)負(fù)壓給水設(shè)備的控制等同于傳統(tǒng)變頻供水設(shè)備的控制是認(rèn)知上的誤區(qū)。還應(yīng)該指出的是,市政管網(wǎng)一方往往只是強(qiáng)調(diào)“無(wú)負(fù)壓”的功能,而忽略了對(duì)水泵控制的技術(shù)要求,認(rèn)為這是用戶(hù)方面的事情,與管網(wǎng)關(guān)系不大。實(shí)際上則不然,在管網(wǎng)能力足夠,管網(wǎng)壓力偏高的管段上,因取水流量過(guò)大而產(chǎn)生負(fù)壓的可能性和機(jī)率很小,大可不必過(guò)份的擔(dān)心。而由于水泵控制特性不良,調(diào)速振蕩而產(chǎn)生的水泵脈動(dòng),直接傳遞到管網(wǎng),不僅會(huì)使管網(wǎng)在流量波動(dòng)中產(chǎn)生積氣、氣囊等安全隱患,而且因流體振蕩沖刷管路也會(huì)造成水質(zhì)的變壞,出現(xiàn)“赤水”或“濁水”。水泵脈動(dòng)還會(huì)影響水表精度和使用壽命。因此,同管網(wǎng)連接在一起的增壓水泵脈動(dòng)和它對(duì)管網(wǎng)的影響是不應(yīng)忽視的問(wèn)題。        

3.   變頻調(diào)速給水設(shè)備原有的缺點(diǎn)被放大。傳統(tǒng)的出水口恒壓變頻供水設(shè)備因其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式的固有缺點(diǎn),具有“不節(jié)能”的屬性。這是因?yàn)?(一)水泵出口恒壓控制線(xiàn)與管路阻力特性曲線(xiàn)存在偏差,恒定壓力的設(shè)定值應(yīng)是能夠滿(mǎn)足最大流量時(shí)的所需壓力,而此值與流量變化不相關(guān),始終為一常數(shù)。因此在流量減小過(guò)程中,控制壓力高于所需壓力,產(chǎn)生超流量出水或管路阻力損失加大等費(fèi)能現(xiàn)象。(二)采用定速泵與變速泵并聯(lián)工作,即2臺(tái)泵(一般是同型號(hào))同時(shí)工作來(lái)達(dá)到最大流量的配置,也具有“不節(jié)能”性,若保證水泵在定速時(shí)效率為最高,則變速水泵在所分擔(dān)之送水流量較小時(shí)則不在高效率區(qū)運(yùn)行，使整體低效率。當(dāng)這樣的系統(tǒng)用于“無(wú)負(fù)壓”(疊壓)供水時(shí),其結(jié)構(gòu)上不節(jié)能屬性會(huì)被放大,本來(lái)疊加了管網(wǎng)的余裕水頭應(yīng)可節(jié)能,但若把水泵推上了低效率工況區(qū),不但抵消了“節(jié)能”,而且水泵運(yùn)行的安全性和壽命也可能受到影響,甚至產(chǎn)生工程隱患和故障。        

       傳統(tǒng)變頻供水設(shè)備的另一項(xiàng)固有缺點(diǎn)是定速泵投入或退出系統(tǒng)的切換過(guò)程存在嚴(yán)重的缺陷。由于兩臺(tái)泵或三臺(tái)泵交替使用一臺(tái)變頻器供電(被稱(chēng)為“一拖二”或“一拖三”),因此,當(dāng)一臺(tái)變頻泵工作到50赫茲仍不能滿(mǎn)足用水需要時(shí),要將變頻電源切斷,改用工頻電源,然后將變頻器投入到第二臺(tái)水泵,使其軟啟動(dòng)并在調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制下運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣的過(guò)程,首先是瞬間斷電、斷水使管路壓力陡降或產(chǎn)生水錘，造成對(duì)系統(tǒng)強(qiáng)烈沖擊,是對(duì)安全運(yùn)行的一次威脅。同時(shí),對(duì)于電氣系統(tǒng)這也是一次嚴(yán)重“沖擊”,對(duì)變頻器、電動(dòng)機(jī)及切換電器都有損害。在切換過(guò)程中變頻器是在最大負(fù)荷電流時(shí)(頻率接近50赫茲時(shí))突然卸載,這會(huì)損害大功率開(kāi)關(guān)管或減少其壽命。對(duì)于電動(dòng)機(jī)突然失電、過(guò)猛的沖擊,有損機(jī)電部件壽命。同時(shí),在電機(jī)斷電后仍存在反向感應(yīng)電勢(shì)之時(shí),再次合閘供上工頻電源則會(huì)產(chǎn)生很大的電流沖擊。而對(duì)于此時(shí)的變頻器來(lái)說(shuō),在其卸載過(guò)程中,內(nèi)部電容正在放電,又突然加上待啟動(dòng)的電機(jī)低感抗負(fù)載,,啟動(dòng)電流則會(huì)很大。電氣系統(tǒng)的沖擊往往會(huì)導(dǎo)致保護(hù)跳閘,而使供水中斷。在水泵疊壓之后,切換過(guò)程中水流和電流的沖擊都會(huì)加大，系統(tǒng)的可靠性面臨考驗(yàn)。而且，在切換臨界點(diǎn)左右的用水量變化和管網(wǎng)壓力波動(dòng)(雙向擾動(dòng))會(huì)造成“頻繁切換”，使供水無(wú)法穩(wěn)定甚至使系統(tǒng)崩潰。

       本文指出的問(wèn)題涉及供水設(shè)備的安全可靠性、運(yùn)行穩(wěn)定性、用水舒適性以及節(jié)能性等主要性能。由于無(wú)負(fù)壓給水設(shè)備的這些重要品質(zhì)指標(biāo)還沒(méi)有評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),也缺少檢驗(yàn)方法和手段,使得用戶(hù)面對(duì)魚(yú)龍混雜的無(wú)負(fù)壓給水產(chǎn)品,不知如何選擇。同時(shí),低水平下重復(fù)開(kāi)發(fā)的“新產(chǎn)品”不斷涌現(xiàn),一味追求“外觀光亮”、“進(jìn)口泵”、“觸摸屏”等華而不實(shí)的“技術(shù)進(jìn)步”或“產(chǎn)品換代”都使人感到更加困惑從而動(dòng)搖了推廣應(yīng)用這項(xiàng)新產(chǎn)品的信念。管網(wǎng)直接加壓供水具有節(jié)能和減少水質(zhì)二次污染的突出優(yōu)點(diǎn),是值得大力推廣的新技術(shù)。無(wú)負(fù)壓給水設(shè)備的市場(chǎng)前景非常廣闊,但唯有真正能提升用戶(hù)用水品質(zhì)的優(yōu)秀產(chǎn)品才會(huì)被用戶(hù)廣泛接受。