无负压(叠压)供水设备的局限性分析

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  摘 要:无负压(叠压)供水设备存在节能、卫生、无负压、稳流等优点,应用也越来越多。但在应用中有较大的盲目性,也出现了一些问题。根据无负压(叠压)供水设备的工作原理以及南方某城市的实际应用情况分析,其主要优点节能、卫生、无负压、稳流等都是相对的和有条件的。而且,当无负压设备大量使用时将增大管网的压力波动幅度并占用水厂清水池的调节容积。另外,其供水的安全性也是不可忽视的问题。
  关键词:无负压;叠压;供水卫生;供水设备;节能;稳流;水压波动;供水安全
  Limitation Analysis of Non-negative Pressure Water Supply Equipment
  He Ying
  (1.Zhanjiang Water investment Group Co. Ltd,Zhanjiang 524001,China;
  2.Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)
  Abstract:With the advantage of energy conservation、sanitary、non-negative pressure、steadyflow, Non-negative Pressure Water Supply Equipments are used more and more widely. Because of blind application, some problems have been emerging. According to the analysis of it’s principle of operation and the actual usage in a seaside city of south China, the major advantage of the equipment is relative and conditional. Especially, when the equipments are used in a large amount, they will occupy the adjusting volume of the clear water tank. In addition, The Safety of water supply is a problem not to be ignored.
  Keywords:Non-negative pressure; Pressure-superposed; The secondary Sanitary of water supply; Water Supply equipment; Energy conservation; Steady flow; pressure fluctuation; Safety of water supply.
  0.无负压供水设备的概念以及应用现状
  《管网叠压供水技术规程》(CECS 221-2007)对无负压供水设备或者叫管网叠压供水设备的定义为:由水泵机组通过水质、水压保护装置,从供水管网直接吸水叠压供水(恒压供水或变压供水),保证供水管网水压不小于设定压力值,且水质不被污染的供水设备。其组成如图1所示[1]。无负压供水设备自1997年问世以来,受到业界的广泛关注,近几年来广泛应用于建筑小区二次供水和城市供水管网的中继加压。但在使用中存在较大的盲目性。
  1.无负压供水设备的优点[1] [2]
  (1)通过稳流补偿器和真空消除器联合工作来消除负压,稳定水流,可从供水管网直接吸水叠压供水而对管网不产生影响。
  (2)可以利用管网余压,节约能源。而且通过软件使变频器、稳压平衡器、真空消除器、气压罐等联合工作,加强节能效果。
  (3)由于取消了水池(水箱),水在该系统中处于密闭状态,不易受污染,卫生条件好。
  (4)由于不用建水池(水箱),降低了基建投资,也降低了日常清洗、消毒费用。
  (5)结构紧凑,占地少。
  (6)采用自动控制技术,运行管理方便。
  (7)采用软启动技术,延长设备使用寿命。
  (8)大大降低清洗用水量,而且基本不存在渗漏,节约水资源。
  以上列举的优点都是业界对无负压供水设备的评价,也还有一些本文没有列出,其实有一些优点并非无负压供水设备所独有。总的说来,其主要的优点是节能、卫生、无负压和稳流。
  2.无负压供水设备的局限性
  无负压设备并不是哪里都适用的万用供水设备,无负压供水设备也是有局限性的,其主要优点也是有条件的。
  2.1节能
  节能是业界普遍认同的优点,但也是有条件的。无负压之所以节能,就是因为它可以利用管网余压。但如果管网没有余压可以利用,节能就无从谈起。这里要说明一个问题,管网有可以利用的余压(P余)不等于管网压力。P余按式(1)计算:
  P余=P管网-hl-hf+ΔZ (1)
  式中:P余——管网可以利用的余压,m(水柱);
  P管网——市政管网接水点的水压,m(水柱);
  hl——从市政管网接水点至水泵进口的沿程水头损失,m(水柱);
  hf——从市政管网接水点至水泵进口的局部水头损失,m(水柱);
  在计算hf时要注意倒流防止器和过滤器的水头损失,一般比较大,不可忽视。
  ΔZ——市政管网接水点与水泵进口中心的高差,m。水泵低于接水点取正值,水泵高于接水点取负值。
  另外,水泵的选配也很重要,要根据管网压力以及用户的需求核算水泵的工况点,使水泵在主要用水时段内处于高效段运行,否则节能效果将大打折扣。   水泵的设计扬程是:最不利点的供水所需压力减去供水管网的最小可利用水压[3]。对于市政管网水压波动较大的区域,当管网可利用水压增加时,水泵扬程随之减少,转速随之降低。当最小可利用水压和最大可利用水压之间相差很大时,有可能超过变频泵的合理调速范围(≥75%),水泵运行的工况点就会偏离高效区。因此管网水压波动较大的区域要用管网最大可利用水压进行校核。对于用水量变化较大的用户(如学校),无负压设备的流量按设计秒流量(最大流量)选型,当流量降低时,扬程随之降低,转速也随之降低。当最小流量和最大流量之间相差很大时,也有可能超过变频泵的合理调速范围,水泵运行的工况点就会偏离高效区。因此用水量变化较大的区域要用小流量进行校核[4]。
  2.2卫生
  相对于水箱(水池)加水泵供水方式而言,无负压设备因不设水池而减少了二次污染。但并不等于在卫生方面,无负压设备就可以高枕无忧。第一,由于无负压设备是通过倒流防止器和管网连接,只要倒流防止器出现问题,用户端的水就有可能对管网形成回流污染。因此,医院、化工等可能造成回流污染的企业不宜使用无负压设备[5]。第二,无负压设备正常工作时其稳流罐相当于一段横断面突然扩大的大直径管路[6]。管网由于压力的波动会使沉积在管壁的污垢进入水中形成“黄水”。当“黄水”进入稳流罐时,流速突然降低,污垢便在罐壁上沉积,即产生管网污垢迁移现象。因此无负压设备也要进行定期清洗和消毒。这一点往往没有引起足够的重视,很多设备使用多年没有清洗,而且还有不少人把不用清洗和消毒作为无负压设备的优点。
  2.3无负压
  无负压设备是否真的不产生负压,厂商往往在这一点上夸大宣传。水泵在运行中有瞬时负压和断流负压[3],无负压设备是靠稳流罐中稳流补偿器和真空消除器联合工作来消除负压的。其最初的工作原理是:当补偿器出现负压时,真空消除器进气阀打开吸入大气,于是真空被破坏。后来发展为气、水两腔式稳流罐,利用罐内补气原理消除真空。再后来出现三腔式,稳流罐分为高压腔、恒压腔和低压腔。正常供水时水经恒压腔进入水泵,在用水低峰时将水压入高压腔储能,当水压下降到一定程度后,高压腔内水释放入低压腔再补偿到恒压腔。前两种方式在真空破坏后稳流罐相当于水池,由于稳流罐容积小,一般厂家按2~5分钟高峰时段流量来设定稳流罐容积[7],只要负压持续时间稍长,罐内水将很快耗尽。对于第三种方式,高压腔容积同样有限,持续补充高压水的时间也很短。因此,无论厂家怎样对稳流罐的结构进行改进,也只能消除瞬时负压或短暂负压。如果管网的供水量低于用户需水量的时间稍长,断流负压就会产生。无负压设备进口处都装有压力传感器,只要设备进口水压低于设定值时,水泵就会停机。例如,南方某沿海城市有一个宿舍区,户数170户,并不多。但该地段属缺水区域,水压低,只有0.08MPa。装了无负压设备后就经常停机,供水断断续续,给用户造成很大的不便。
  2.4稳流
  产生负压肯定影响管网水流稳定,因此稳流必须以不产生负压为前提。也即以管网水量、水压足够为前提。无负压设备地稳流也是靠稳流罐来实现的。当管网水量、水压在任何时候都足够时,稳流罐不工作。当管网水量、水压在短时间内不够时,由稳流罐进行补偿而实现稳流。在管网水量、水压足够时似乎并没有什么问题,而且通过无负压供水系统的现场测试,结果也表明水量、水压足够时压力波动与市政管网基本一致,该系统的使用对市政供水管网影响不大[8]。但如果无负压设备大量使用,情况就不一样了。管网向无负压设备供水的模式如图2所示。为方便讨论,假设用户全部装无负压供水设备,即Q1=Σqn。
  如前所述,当管网水量、水压在任何时候都足够时,稳流罐不工作,补偿器只相当于一段横断面突然扩大的大直径管路[6],用户的需水量是多少,管网的来水量就是多少。用水低峰时,qn’=qn(n=1,2,3,···n),此时水厂供水量Q1等于Σqn’。用水高峰时,用户用水量qn’也等于管网来水量qn,此时水厂供水量Q1也等于Σqn’。即在任何时候
  Σqn’(min) ≤Q1≤Σqn’(max) (2)
  管网向各用户水池供水模式如图3所示。为方便讨论,假
  设用户全部设水池,即Q2=Σqn。
  对水池供水模式而言,用水低峰时,用户用水量减少,管网压力升高,但管网可以继续向水池供水,水池水位上升,实际上是管网向水池和用户同时供水。管网来水量qn(n=1,2,3,···n)等于用户用水量qn’和水池净进水量q(1)n之和。此时水厂供水量Q2=Σqn’+Σq(1)n。用水高峰时,水池水位下降,实际上是管网和水池同时向用户供水。用户用水量qn’等于管网来水量qn和水池净出水量q(2)n之和。此时水厂供水量Q2=Σqn’-Σq(2)n。即在任何时候:
  Σqn’(min)+ Σq(1)n ≤Q2≤Σqn’(max) -Σq(2)n (3)
  比较(2)式和(3)式,对于同一管网,Σqn’(min)和Σqn’(max)不变,那么,无负压设备供水模式水厂总供水量Q1的波动幅度大于水池供水模式水厂总供水量Q2的波动幅度,其差额就是用户水池的调节容量。根据水泵特性曲线,出厂水压H1的波动幅度大于H2的波动幅度。也就是说无负压设备的大量使用将增大管网压力的波动幅度,即增大供水时变化系数,时变化系数的增大会增加供水厂清水池的调节容积。另外,由于管网压力波动增加,使沉积在管壁上的水垢泛起形成“黄水”。
  以上分析可知,对水池供水模式而言,用水量达到高峰时大量水池进水,管网流量大增,管网压力下降。但随着管网压力下降,进入水池的水量自然减少,从而抑制管网压力的进一步下降。用水低峰时,用户用水量减少,管网压力升高。但随着管网压力升高,进入水池的水量自然增加,从而抑制了管网压力的进一步升高。也就是说,水池可对流量和压力进行双向调节。因此,最好的稳流方式是建水池。而无负压设备基本没有流量储备,不可能在高峰用水时减少流量,也不可能在低峰用水时储存流量,只能牺牲管网水压。也就是说,无负压设备是以牺牲管网水压来保证用户需水量的。   南方某城市自2006年开始在新开发小区使用无负压供水设备,至今整个市区已有近百个小区安装了近一百多台无负压供水设备。经过这几年的使用,产生的问题不容忽视。比如这几年来“黄水”、“黑水”的投诉大量增加,而且从2010年开始,清水池的调节容积满足不了供水需求,要在供水低峰时段停机蓄水。表1是该市安装无负压供水设备前后市区典型水压监测点的水压变化情况。
  从上表可以看出,2012年整个管网平均压力波动范围比2005年增加43.9%。监测点1为旧城区,由于基本没有安装无负压供水设备,压力波动范围增加较小(26.4%)。监测点4为新区,无负压供水设备安装较多,压力波动范围增加较大(64.9%)。说明无负压供水设备大量使用确实使管网水压波动幅度增加。“黄水”、“黑水”现象增多和清水池调节能力降低与无负压供水设备大量使用有关。
  2.5供水安全性
  无负压供水设备的供水安全性较差。一旦设备损坏或市政管网停水,就一点水也没有了。市政给水管网经常性停水和供水保障率要求高、不允许停水的区域不宜采用[5][9]。本人认为,对大型住宅区和台风多发的沿海城市,也不宜采用。一旦遭遇特大台风的袭击,造成市区大面积停水,而市区又大量使用无负压供水设备,其后果是灾难性的。
  1996年9月南方某沿海城市受到第15号强台风的正面袭击,市区完全停水达40小时,72小时之后才逐渐恢复正常。当时市民的反应并不很强烈,因为当时还没有无负压供水设备,大部分是含水池的供水方式。如果现在再来一次这样的台风,40小时内完全没水,40~72小时之间由于水压低,无负压设备起不了作用。3天时间,这么多市民到哪里找水喝?将是一个很大的问题。
  3.结论
  综上所述,无负压供水设备的主要优点都是有条件的:
  (1)无负压设备之所以节能,是利用管网余压。因此,必须以管网有余压可以利用为前提。
  (2)相对于水箱(水池)加水泵供水方式而言,无负压设备因不设水池而减少了二次污染。但增加了回流污染的可能性,而且也要定期清洗稳流罐。
  (3)在无负压设备少量使用的前提下不会对整个管网压力造成明显影响。当无负压设备大量使用时,将增大供水时变化系数,降低清水池的调节能力。
  另外,必须重视无负压供水设备的供水安全性,除不允许停水的区域不宜采用外,对大型住宅区和台风多发的沿海城市,也不宜大量使用。
  总之,无负压供水只是众多供水方式中的一种。在进行供水方式选择时必须综合考虑各种因素进行多方案比选,切不可盲目。
  参考文献
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