恒压给水系统压力控制点的优选

崔福义　　　　　　　 陈 卫
（哈尔滨建筑大学）　（南京建筑工程学院）

　　恒压给水系统按压力控制点位置不同，可分两类：一是将控制点设在最不利处，直接按最不利点水压进行工况调节；二是将控制点设于泵站出口，按该点的水压进行工况调节，间接的保证最不利点的水压稳定，现今气压给水和变频调速给水系统就是如此。第二种设置管理方便，但技术经济性能不十分理想。事实上，水泵出口的恒压即意味着用户最不利点处是变压，这影响了其先进性能的充分发挥。本文指出，将压力控制点设在最不利点更合理，技术经济性能更佳，而且技术上不难实现。

1.气压给水系统压力控制点位置的分析

1.1　 气压给水系统的压力控制点
　　气压给水系统一般多采用气压罐和水泵组合设置，根据气压罐内压力变化控制水泵的开停运转，相当于按水泵出口压力进行工况调节。以由两台同型号水泵组成的系统为例，图1中以纵坐标以绝对水压标高表示，A₁、A₂、D₁、D₂分别称为水泵P₁和P₂的停止和起动压力控制线。由此可见，一台泵运行时，水泵工作点在a～b之间变动，相应的泵出口压力变化范围是在D₂～A₁之间。D₂是供水的最低压力，按用户要求的最低水压推求确定，D₁、A₁、A₂则由D₂向上推出，其差值是产品的特性系数。现行产品该压力变幅（D₂-A₁）多为10～12m。高于D₂以上部分的水压超过用户的要求，造成能量的浪费；供水压力的波动还影响使用的方便和给水系统配件的寿命。若将压力控制点设在最不利点，则上述问题会有明显改观。两种情况的工况特性对比见图1，d₂为最不利点要求的最小水压，若在纵坐标上以d₂为起点，通过管路特性曲线交于水泵P₁+P₂的合成特性曲线上，该交点水压是水泵出口的最低水压D₂，即保证用户最不利点的水压要求d₂，泵出口的最低水压必须达到D₂。以d₂为起点向上依次推求水泵的停止和起动压力控制线a₁、a₂、d₁，最不利点水压在a₁～d₂之间变化，而压力控制点设于水泵出口时，可由管路特性曲线反推回相应的最不利点水压在a₀～d₂之间变动。虽然两种控制方式都可满足用户的最低水压要求，但显然以压力控制点设于最不利点时用户的水压变化明显减小。

1.2 气压罐安装位置对罐容积和压力的影响
　　如上所述，从稳定用户水压，以将压力控制点设于最不利点较好，可有两种方法：一是将压力传感器与气压罐分体设置，仅将压力传感器移至最不利点，气压罐仍与水泵设置在一起；另一种方法是将气压罐与水泵分设，按气压罐内水压进行压力控制，尽可能靠近最不利点且位置尽可能高，这样既可稳定管网水压，还有利于减小罐容积并降低罐内承压。由文献：

　　　　　　　　　　　　　V=W.[β/（1-α）　　　　　　　　　 （1）

　　式中 V—气压罐总容积，m³
　　W—设计调节容积，m³，由设计最大供水量及水泵每小时最大起动次数确定
　　α—设计罐内最小与最大压力的比值（绝对压力），α=P₁/P₂
　　β—容积附加系数，_β==P₁/P₂（P₀为罐内无水时的气体压力）
　　可见，在罐内压力控制差（P₂-P₁）不变的条件下，气压罐设于最不利点与泵站处的容积和承压是不同的，因为前者远离泵站且位置较高，P₁相应于d₂对应的压力，P₂相应于a₁对应的压力，显然罐内承压较低；P₁P₂减小，使α与β值皆下降，有利于减小V值。或者在一定的气压罐容积下，可增大有效调节容积，以减少水泵开停次数，实现节能并延长设备寿命。

2.变频调速给水系统压力控制点位置的分析

2.1 控制点设在水泵出口
　　 压力控制点设在水泵出口，按此压力设定值变频调节水泵工况是常用方式，其工作特性如图2。图中A₀为为最大供水量Q_max相对应的管路特性曲线，B₀为水泵在Q_max时的特性曲线，H’为压力控制线，按Q_max相应的管路特性曲线及用户水压要求确定。在Q_max时，三条曲线交于a点，最不利点的水压标高H₀即要求的最低水压，没有水压浪费。当用水量降低时，控制系统降低水泵转速来改变其特性。但由于采用泵出口水压恒定方式工作，所以其工作点始终在H’上移动，如b点即为相应于 Q’的新工作点，相应的水泵特性曲线为B₁，A则是由A₀向上平移得到的管路特性曲线，导致最不利点水压高升为H₁，H₁>H₀，二者的差值为多余浪费的水头即图2中阴影部分，另外，泵出口处恒压对用户而言是变压，水压波动范围是H₀～H’，能否保证用户处的最低水压，其控制可靠性存在疑问。

2.2 控制点设在最不利点
　　将控制点设于最不利点，以该点水压标高H₀（图2）定值作为控制系统的调节目标。随用水量大小的变化调节水泵转速，使水泵特性曲线变化，而管路特性曲线A₀恒定不变，水泵工作点始终在A₀上移动，最不利点水压不变始终为H₀。如供水量为Q’时，水泵特性曲线为B₂，工作点为C，供水压等于需要的水压，没有能量的浪费。与泵出口恒压控制相比，在同样供水量时将使水泵以较低的转速工作，消除了图中阴影部分的能量浪费，实现了最大限度的节能供水。
　　除此之外，在最不利点控压还保证了用户水压的稳定，无论管路特性曲线等因素发生什么变化，最不利点的水压是恒定的，保证水压的可靠性高。这种控压方式仅是改变压力传感器的安装位置，增加相应信号线的长度。过去采用的是以电压信号输出的压力传感器，由于存在信号衰减等问题而对设置距离有所限制；现在新型以电流信号输出的传感器，为选择合理的压力控制点位置创造了技术条件。

3. 讨论与结语

　　综上所述，在进行加压给水系统设计时，压力控制点的位置选择是重要的内容。对气压给水系统而言，气压罐的安装位置是一个影响系统技术性能与经济效益的重要因素，不可片面的强调气压罐设在较低处的优点，而应在条件允许时尽可能将压力控制点或气压罐设于供水的最不利点及较高处，特别在居住小区等规模较大的加压给水系统中更应给予充分重视。这样，可以改善供水技术性能，稳定或减小供水压力波动，减小气压罐容积和承压，尤其在节能方面可有效的减小供水能量浪费。
　　无论对于气压给水系统还是变频调速给水系统，还应注意水泵的高效工作区域等问题。但根据前述分析，将压力控制点设于最不利点，无疑将更易于实现水泵在高效区运转。
　　本文的分析是以两种极端情况为例。在实际工程中，可能受具体因素的限制，不宜将压力控制点设于最不利点处。较现实的做法应是在条件允许的情况下，尽可能将压力控制点靠近最不利点。这种方案对给水设备本身无显著的影响与改变，尤其变频调速给水系统更是如此。因此，这是一种先进、实用、可行的方案，能收到良好的技术经济效果。