“JMT无负压给水设备”技术研究报告

2015-11-20 来源:北京精铭泰工程技术开发有限公司总工程师:马戍环

一、      研究的目的意义

       城镇供水的“水质安全”是关系到广大城镇居民身体健康、生命安全、社会稳定和经济发展的重大问题。为此,国家将“水质污染控制技术与治理工程”列为国家“十五”期间12个重大科技专项之一。将“提高供水安全保障程度”列为国家重点资助领域,特别强调要“开展安全饮用水保障供给技术”的专项研究。

       我国大部分城镇供水系统,由于供水管网覆盖面积大并采用二次加压方式供水,经过水厂严格净化处理及消毒的符合国家生活饮用水水质卫生标准的自来水,在输送、蓄储和二次加压过程中会产生二次污染而影响供水水质安全。目前,我国大多数城镇供水系统经过多年的管网改造及水质管理等大量工作,使管网水质合格率达到了国家标准。但是,二次污染事故仍大量出现在二次加压环节上,其中,贮水池和高位水箱是主要的污染源。因此,开发出可以取消水池根除二次污染的新型供水设备,取代传统型的高位水箱式、气压给水方式和常用变频调速供水设备,必然会具有广阔的市场前景,并会产生良好的社会效益和经济效益。

        我公司针对彻底根除二次污染,保障水质安全这一具有重大意义的课题,提出了“将自来水直接到户”的供水模式作为一项系统工程来研究的计划,开展了多项课题研究工作,“JMT无负压给水”新产品的开发就是其中之一。

       本课题的主要研究目的是为了在供水管网上直接串接水泵加压送水,从而取消水池、水箱等水体暴露贮留等产生二次污染的中间过程,在全密闭的环境下,将合格的自来水直供到用户的每一个水嘴。然而,这种从管网中直接串泵抽水的方式一直是供水系统的禁区。国家城镇供水条列规定“禁止在城市公共供水管道上直接装泵抽水”其主要理由是水泵直接抽水会在管路中产生负压或称真空现象,使管路压力陡降,波及相邻的用水户正常用水,还会产生管道回流、积气、振荡、水锤等影响管网供水安全的副作用。因此,“无负压”是产品开发研究的首先要解决的问题。

       然而,本课题的研究并没局限于简单的消除负压的具体技术手段的研究上,而是从整个城市供水系统最终实现直接供水模式的系统性、完整性来定位无负压供水设备的功能、性能和技术指标并进行更深层次的研究和实验,以使得新产品具有先进性、实用性和广泛的适用性,以理论上和实践上的说服力,真正的被业界接受和欢迎。

 

二、      国内外研究概况、水平和发展趋势

       国内“无负压供水设备”的研究成果已在1997年以专利产品的方式推出。近几年来陆续有新厂家推出同类产品。国外关于此类产品和技术的研究从八十年代后期开始,其中,日本在1990年就已经将取消中间水池、水槽、高位水箱为目标的直接供水系统的构筑作为国家行政层面的方针政策予以推动。将其作为面向“21世纪水道整备的长期目标”。在国家政策引领和推动下,不少城市,例如名古屋市、横须贺市、神户市等供水系统实现了直接供水到户。有关“直供水管道水头损失的研究”、“水泵直抽水影响模型”、“直串水泵及复数泵启动、运转、停止、调速时管网波动的研究”以及与该系统配套的水泵、止回阀等设备的研究等方面,都有很多成果可供参考和借鉴。

       管网直接供水到户,是根治二次污染的最彻底、最经济、最具保证和最可信赖的方式,是城镇供水系统的发展方向。因此该类技术产品市场前景十分广阔。然而,直接供水方式是一个从水厂送水――配水管网――串泵加压――终端用户水嘴的连续流程,是一项涉及诸多技术课题的系统工程。如果无计划地盲目推广“无负压二次供水设备”,很可能会使系统的隐性问题暴露对全体产生不安定的影响。所以,一些城市在有条件准入的同时,开展了相关的研究工作。

 

三、      项目的主要内容和关键技术

       目前国内的称之为“无负压(无吸程)二次加压供水设备”大多采用“真空补偿器”等类阀门自动补气的方式。在管路或储水罐中产生负压时自动打开阀门,吸入大气,破坏真空,使原先密封的储水罐等效为一个开口容器。这是一个产生负压后再消除负压的过程。而本项目所研究的是消除负压生成条件使设备运转时不产生负压的新方法。并且可在管网约束条件下运行,避免对管网的不良冲击,保证管网内流态的稳定平滑的变化,使管网安定运行,为了这一目标的实现,本课题确定研究内容如下:

1、深入研究负压生成机理的基础上,提出消除负压生成条件并使其根本不产生负压的设计理念。并以此进行总体设计。

2、水路系统的研究和设计。包括动态过程对水泵能力和特性影响、泵吸侧的影响、多台水泵并联的影响,水泵的脉动问题,对水表精度的影响,止回阀的功能,以及进水管、缓冲水罐、出水能力等最佳配置参数,在此研究实验的基础上,提出水路计算的原则和方法。

3、自动控制原则和方式的研究。这需要解决的关键问题是满足管网的约束条件、满足用户需求、根除负压产生条件等三项原则的一种新的控制方式。避免系统出现调速振荡,响应速度不当和抗干扰性能不良时使水流态喘振并可能产生管路负压。

4、产品硬件和软件的设计和开发是应用以上完成的理论成果和试验结果开发出产品。本课题本着高起点,精益求精的原则,使产品具有高品质、高可靠性、实用性强、操作简单。基本免维护的性能并符合国家有关供水设备的质量要求及技术标准。

 

四、JMT设备系统构成及工作原理:

1、进水压力缓冲罐。

       稳定进水压力,减缓管网压力波动影响,补偿因瞬变流态和水泵振荡时的流量差。采用立式罐体,保持高于进出口1m以上的重力水头,缓解水锤冲击,罐体容积按水泵1分钟水量计算,(试验数椐,尚无优化理论和计算方法)。罐顶装现场观查压力表及排气阀,运转中无需补气和排气。

2、进水口压力变送器,将压力转换为标准电信号参予控制过程演算。并依演算结果限定水泵出水量。

3、在罐体上留有DN100法兰接口,作为消毒设备接合口。

4、在水泵进水口汇合管侧装有快装卡箍盲板,作为设备放空口。

6、旁通管在设备因停电或检修时将自来水压头送至用户,不致全区无水。

7、水泵为1用1备配置,1台泵按用户最大需量选型,满足用户需求。不采用流量不足时加开定速泵的传统切换方式。水泵软启动、软停止、防止流态突变。

8、依据北京市卫生局文件要求,进水管段上加装倒流防止器和过滤阀。

9、当出水压力过高或管路较长时,在出水总管上增设缓闭止回阀,作为防水锤、防倒流的第一道防线。

 

五、“JMT无负压给水设备”研究成果综述

1、独创性的提出了“根本不产生负压而不是产生了负压再消除它”的设计理念及设计计算方法。

压力管路中串泵抽水时产生负压的条件是在水力过渡过程中进口水量Q1小于出口水量Q2时出现水柱分离及再弥合现象从而破坏了非恒定流动的连续性,即负压生成。“负压”是管路气囊、气阻、水锤、压力振荡等危及管网安全的主要隐患。

       JMT设备是在对水力过渡过程深入研究的基础上提出了求解最不利参数的数学模型并依此设计了稳定流态(无瞬变流态)的控制模型,使水泵在约束条件下软启动、软停止、平滑调速、稳态切换,甚至在水泵失控、故障、出水管路断裂等极端状态下均不会破坏管网的稳定流态,因而不会产生负压。

2、首次提出了“管网安全保障和满足管网约束条件”的功能要求。

       无负压供水设备的推广应用过程至今已有八、九年之久,其间,自来水公司对该类设备准入持有疑虑是影响产品推广使用的重要原因。对管网串接水泵设备后的安全问题有疑虑是很自然的事情。因为原来的供水管网服务界限是以水表前后清楚地划分开来,水表后的水池、加压设备属用户自行建设、使用和管理,管网将合格的水送入水池后则可无虑。而使用了管网直接加压到户方式后,没有了水池的隔离带,相当于供水管网的扩展和延长,设备及其出水管路的故障则会立即冲击管网,影响管网系统的运行形态,产生显性或隐性的系统不安定工况或出现局部影响大片地区用水的可能。对于这种顾虑,只提出“无负压”一个定性的概念和对策是说服力不够的。另外,取消了水池之后,用户方的高峰水量都直接向管网索取,一旦水泵失控,也会以水泵最大流量取水,如果管网不能定量地约束这些状态,是无法让自来水企业放心的。

       JMT设备的管网安全保障对策是使设备保证不超过管网规定给用户的取水流量或管网允许的供水压力的约束条件下运转,并在稳定流态控制,防水锤措施及防止倒流阀门的设置等综合对策下,使管网在设备运行、水泵及电气故障、突然停电、管网停水等可以预见的各种状况下都能不受冲击,不会使局部故障上逆而泱及全局。

3、水泵出水口恒压或给水管路末端恒压控制方式的研究,取得了创新的成果。

       水泵调速系统受工况的改变、负荷的波动以及多扰动、非线性等多因素的影响,很难建立起控制模型作精确的定量分析,一般将水泵水压建立过程的数字模型作为一个纯滞后的一阶惯性环节,采用传统的PI控制方式,往往动态性能较差。而“无负压给水系统”又增加了管网压力扰动的不确定扰动因素,更加使动态性的变坏。

       JMT设备采用FUZZY和PI两种算法结合的复合控制方式,在大偏差范围内FUZZY控制,小偏差PI控制,在控制进入稳态后采用PI控制以消除管网压力波动而导致系统振荡。在控制参数的设定上,针对给水系统的特点,适当放宽对稳定精度和响应速度的要求,在可以满足用户用水要求的前题下,最大限度地减少调节振荡过程,实行平滑的压力调节。

4、JMT设备齐全完善的自动控制功能,体现了以人为本的设计思想,让用户在不用担心、不用干预下连续用水。

JMT全自动功能有:

A、“一揿式”开泵操作

B、24小时定时切换备用泵,以防死水滞留影响水质。切换在用水低谷时进行。

C、自来水管网断水时自动停泵,来水后自动启泵,不须人工干预。

D、工作水泵出水故障时切换到备用泵,减少停水时间。

E、变频器故障后自动复位后再启动备用泵。

F、电力系统停电时,来电后再启动。

5、在JMT设备的设计思想上,将它定位为“自来水管网上的一个终端设备”,为了实现自来水公司供水一体化管理和优质服务(供水安定、平稳、水压充足、水质良好、节水节电为目标)的供水体制作好技术准备,推动被称为面向21世纪的管网直接供水系统方式的发展。为此,我们还设计了数据采集、积累、模型演算及向供水公司远传数据的功能模块,使设备能向总公司报告终端信息,弥补管网上压力监测点数量的不足,这些数据可供“供水优化调度”、“管网规划和设计”、“管网漏水检知”、“水量分析”等信息化管理工作活用。

六、推广应用前景、经济效益和社会效益

       由于城市建设不断发展,农村城镇化发展趋势迅猛,供水设备市场需求量巨大。本产品具有取代传统产品,成为市场主流产品的明显优势,所以推广前景十分广阔。

       本项目的推广,能使居民放心的用上没有水质污染的新鲜洁净的自来水,提高居民对政府提供的社会公共产品的满意度。会产生良好的社会效益。

       房地产开发商,应用该产品,可以减少占地和修建水池,节省投资,并可免去物业管理中清刷水池、消毒等麻烦的运行管理工作和费用。居民户不但会获得水质好、水压足、不断水的优质供水服务而且由于充分利用了管网水头,节电效益显著。城镇自来水公司,由于本产品的应用,则完全可能做到供水到户。改变过去“不管二次加压的”传统模式,延伸自来水企业的服务范围,让方便和实惠于民,并获得企业扩大服务而带来的经济效益。

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