CN101187215B - 全自动限流式无负压管网叠压供水设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动限流式无负压管网叠压供水设备，在管网上直接串接水泵加压供水，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；在全封闭的环境下，消除负压生成条件使设备在约束条件下运行，运转时根本不产生负压，避免对管网的不良冲击；即使将要产生负压，在负压产生的临界状态也能消除之，防、消双重功能保证管网内水流态的稳定平滑的变化，使管网稳定运行，将合格的自来水直供到用户的每一个用水点，具有高节能、高可靠性、适用性强、全自动控制、绿色环保的突出特点。

Description

全自动限流式无负压管网叠压供水设备 

技术领域：

本发明涉及供水技术领域，具体地讲是一种全自动限流式无负压管网叠压供水设备，可直接串接在管网上。 

背景技术：

目前由于供水管网覆盖面积大，地势高低的参差不齐且高层建筑越来越多，采用二次加压方式供水的方式比较多。经过水厂严格净化处理及消毒的合格生活饮用水，在输送、蓄储和二次加压过程中会产生二次污染，影响供水水质的安全。二次污染事故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。在城镇公共供水管道上直接装泵抽水的方式一直是供水管理系统的禁区，其主要理由就是水泵直接抽水会在管路中产生负压或称真空现象，使管路压力徒降，影响相邻用户的正常用水，还会产生管道回流、积气、震荡、水锤等影响管网供水安全的副作用。目前市场上被称之为“无负压(无吸程)二次供水设备”大多采用真空补偿器等补气方式，也就是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，这种方式对管网有不良冲击，管网内流态的变化不稳定，管网运行不安定，且易产生二次污染。 

发明内容：

本发明的目的是克服上述已有技术的不足，而提供一种全自动限流式无负压管网叠压供水设备，主要解决现有的供水设备易引发二次污染、供水过程中产生负压后再消除、对管网有不良冲击、管网内流态的变化不稳定等问题。 

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：全自动限流式无负压管网叠压供水设备，它包括自来水进管1，其特殊之处在于在自来水进管1通过管路与稳流调节器罐体7连接，在管路上依次设进水管远传压力表2、倒流防止器3、进水侧气体隔断器4、过滤器5，稳流调节器罐体7内是流量调节器水腔13，在稳流调节器罐体7的底部设稳流调节器支座17，在稳 流调节器罐体7底部的出水口处设清洗排污阀29；水泵机组与旁通管24并联后与稳流调节器罐体7的底部出水管连接，每套水泵机组的水泵22进水口前设蝶阀20、可挠性橡胶软接头21，水泵22出水口设可挠性橡胶软接头、蝶阀、止回阀23；旁通管24与水泵机组的出水管并联后与出水总管26连接，在出水总管26上设出水总管远传压力表25；在稳流调节器罐体7内设液位传感器14、液位传感器来水启泵水位15、液位传感器低水位16；在稳流调节器罐体7上方设负压消除器罐体28，二者之间设进气排气阻水阀12，负压消除器罐体28内是负压消除器气腔11，在负压消除器罐体28上设负压消除器远传压力表8、充气阀9、常闭式电磁阀10；进水管远传压力表2、负压消除器远传压力表8、常闭式电磁阀10、液位传感器14、水泵加压机组的水泵22、出水总管远传压力表25通过线路与全自动微机控制柜27连接，全自动微机控制柜27与触摸屏30连接。 

本发明的全自动限流式无负压管网叠压供水设备，其所述的水泵机组的水泵台数根据用户需要为两台或两台以上。 

本发明的全自动限流式无负压管网叠压供水设备，采用限流式无负压控制方式。 

本发明所述的全自动限流式无负压管网叠压供水设备的各技术特征的作用及说明： 

自来水进水管1：与自来水进水管相接。其管径的大小与用户的用水量有关。 

进水管远传压力表2：一是可直接观察自来水管网的来水压力；二是采集压力数据输送到全自动控制柜的微机进行处理，将压力转换为标准电信号参与控制过程演算。并以演算结果限定水泵出水量。以智能控制的手段使水泵在限定流量下运转，使水泵出水量不会大于自由流出流量则根本不会产生负压，而不是产生负压后再去消除。 

倒流防止器3：防止用户的水倒流入管网，污染市政管网的水质。 

进水侧气体隔断器4：有效去除和隔断管网中的气体进入设备。 

过滤器5：去除管网中的较大颗粒杂质。 

稳流调节器进水口法兰6：与进水管路连接，法兰连接。 

稳流调节器罐体7：一般为SUS304不锈钢或碳钢结构。罐体容积一般按水泵1分钟流量计算。其厚度与自来水进水压力有关。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震荡式的流量差。采用立式罐体优于卧式罐体：①容易保持高于进出水口1m以上的重力水头，缓解水锤冲击；②占地面积小③对负压消除器的集气功能有帮助，易于集气，水腔内不窝气，利于负压消除。 

负压消除器远传压力表8：一是可直接观察负压消除器气腔内的气体压力；二是采集负压消除器气腔内的压力数据输送到全自动控制柜的微机进行处理。决定是否打开常闭式电磁阀排气或通过充气阀充气。以保证负压消除器气腔内的压力适中。具体的压力值与自来水的进水压力和流量调节器的体积有关。 

充气阀9：当负压消除器内的气压不足时，通过它进行充气。 

常闭式电磁阀10：当负压消除器内的气压超过设定值时，通过集气腔远传压力表发出的信号给微机控制柜，接到微机控制柜发出指令后打开，排气至设定压力范围后关闭。 

负压消除器气腔11：集气的作用。用于接收稳流调节器中排出的气体和向稳流调节器中压入气体以消除负压。 

进气排气阻水阀12：当自来水管网压力充足时，稳流调节器满水位，进气排气阻水阀关闭，稳流调节器中的水被阻隔，此时整个管网系统为全封闭状态，整个罐系统被分为两个腔，顶部为气腔，下面为水腔；当自来水管网来水不足时，稳流调节器中水位下降，气腔内压力高于水腔内压力，进气排气阻水阀打开，气腔内的气体进入水腔，破坏即将产生的虹吸现象，有效地防止了负压的产生，此时整个管网系统仍与大气隔绝，亦为全封闭状态，杜绝了因大气进入引起的二次污染。 

稳流调节器水腔13：起到流量调节、稳定水压、消除来水水锤的作用。 

液位传感器14：通过液位传感器的作用，来水不足时，实现停机保护；来水充足时，恢复正常供水。 

液位传感器来水启泵水位15：液位传感器到达该设定水位时，恢复正常供水。 

液位传感器低水位16：液位传感器到达该设定水位时，强制停机保护。 

稳流调节器支座17：用于支撑稳流调节器罐体。 

稳流调节器出水口法兰19：与加压机组进水管路和旁通管连接，法兰连接。 

蝶阀20：方便运行调试；方便维修。 

可挠性橡胶软接头21：减少机组震动，缓解水力冲击，便于维修拆装。 

水泵机组的水泵22：水泵机组一般为两套设置，一用一备。实现微机控制全自动增压的目的。 

缓闭消音止回阀23(其余均同)：防止用户管路的水回流，是防止市政管网污染的第一道防线；消除水锤，降低噪音。 

旁通管24：停电时或检修时，通过旁通管，自来水管网的水仍可到达部分供水区域，不至于全区停水。 

出水总管远传压力表25：一是可直接观察出水总管的压力；二是采集出水总管的压力数据输送到全自动控制柜的微机进行处理。决定变频调速器的运转频率，以保证用户用水压力。具体的压力值与用户的最不利配水点的绝对高差有关。 

出水总管26：汇集出水，与用户连接。 

全自动微机控制柜27：水泵软启动、软停止，防止流态突变。留有信息化处理模块。 

负压消除器罐体28：装盛收集预压气体，起到负压消除作用。 

清洗排污阀29：定期对稳流调节器中的污物进行排放，也可作为设备的放空口。 

触摸屏30：实现人机对话。 

本发明的全自动限流式无负压管网叠压供水设备，在管网上直接串接水泵加压供水，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，消除负压生成条件使设备运转时不产生负压， 并且可在约束条件下运行，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，将合格的自来水直供到用户的每一个用水点。 

本发明所述的全自动限流式无负压管网叠压供水设备，与管网直连，由于全自动微机控制柜内置程序，可实现叠压供水、防止倒流、全封闭管路(与外界大气完全隔绝)、气体隔断、限流或限压式无负压供水、流量补偿调节、无水停机保护、来水自动恢复运行、负压检测、负压消除、水锤消除、变频调速运行、软启动、软停止、相对减少系统瞬变流、故障自动投入、定时切换、人机对话、信息化数据传输、远程监控等全自动控制功能。 

本发明所述的全自动限流式无负压管网叠压供水设备与已有技术相比具有突出的实质性特点和显著进步： 

1、供水设备根本不产生负压而不是产生了负压再消除；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流量小于出口流量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、压力震荡等危及管网安全的主要隐患。本发明的供水设备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条件下均不会破坏管网的稳定流态，因而不会产生负压；并且本发明的供水设备并没有局限于简单的负压消除，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，以使得产品具有先进性、实用性和广泛的适用性。 

2、本发明的供水设备具有管网安全保障和满足管网约束条件的功能；现有的供水管网服务界限是以水表前后清楚的划分开来，水表后的水池、加压设备属于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；而使用了管网叠压设备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伸，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，可能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；另外，取消了水池以后，用户方的高峰用水量都直接向管网索取，一旦水泵失控，也会以水泵的最大流量取水；而本发明的供水设备的管网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不受冲击，不会使局部故障上逆到殃及全局。 

3、控制功能更为完善；本发明的供水设备具有齐全完善的自动控制功能，具有：1)“一掀式”开泵操作；2)24小时定时切换备用泵，以防止死水滞留影响水质，切换在用水低谷时进行；3)自来水管网断水时自动停泵，来水后自动启泵；4)工作泵出现故障时自动切换到备用泵并报警；5)变频器故障后自动复位后再启动备用泵；6)电力系统停电后再来电时自动转为正常自动供水状态。 

4、可视为“自来水管网上的一个终端设备”；可以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，供水设备具有数据采集、积累、模型演算及向自来水公司传送数据的功能模块，使全自动限流式无负压管网叠压供水设备能向自来水公司报告终端信息，从而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。 

5、具有一定经济效益和社会效益；本发明的供水设备能使居民放心地用上没有水质污染的洁净的自来水，提高居民对政府提供的社会公共产品的满意度，从而产生良好的社会效益；另外该产品可以减少占地和修建水池，节省投资，多重节能，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，居民不但获得水质好、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，从而具有一定的经济效益。 

6、具有环保、节能、可靠性高、适用性强、操作简单的特点。 

附图说明：

图1是本发明的结构示意图。 

1自来水进水管，2进水管远传压力表，3倒流防止器，4进水侧气体隔断器，5过滤器，6稳流调节器进水口法兰，7稳流调节器罐体，8负压消除器远传压力表，9充气阀，10常闭式电磁阀，11负压消除器气腔，12进气排气阻水阀，13流量调节器水腔，14液位传感器，15液位传感器来水启泵水位，16液位传感器低水位，17稳流调节器支座，19稳流调节器出水口法兰，20蝶阀，21可挠性橡胶软接头，22水泵加压机组的水泵，23止回阀，24旁通管，25出水总管远传压力表，26出水总管，27全自动微机控制柜，28负压消除器罐体，29清洗排污阀，30触摸屏。 

具体实施方式：

为了更好地理解与实施，下面结合附图给出具体实施例详细说明本发明。 

实施例1，参见图1，在自来水进管1上安装进水管远传压力表2，然后再在进水管路上依次接入倒流防止器3、进水侧气体隔断器4、过滤器5，过滤器5通过管路与稳流调节器罐体7连接，在稳流调节器罐体7的连接端安装稳流调节器进水口法兰6，稳流调节器罐体7的内腔是流量调节器水腔13，在稳流调节器罐体7的底部固定稳流调节器支座17，在稳流调节器罐体7底部的出水口处安装清洗排污阀29，在稳流调节器罐体7的底部的连接处安装稳流调节器出水口法兰19；将水泵机组与旁通管24并联后与稳流调节器罐体7的底部出水管连接，水泵机组的水泵22台数根据用户需要为两台或两台以上，每套水泵机组的水泵22进水口前安装蝶阀20、可挠性橡胶软接头21，水泵22出水口安装可挠性橡胶软接头、蝶阀、止回阀23，旁通管24与水泵机组的出水管并联后与出水总管26连接，在出水总管26上安装出水总管远传压力表25，出水总管26与用户连接；在稳流调节器罐体7内安装液位传感器14、液位传感器来水启泵水位15、液位传感器低水位16；在稳流调节器罐体7上方安装负压消除器罐体28，在二者之间安装进气排气阻水阀12，负压消除器罐体28内腔是负压消除器气 腔11，在负压消除器罐体28上安装负压消除器远传压力表8、充气阀9、常闭式电磁阀10；最后将进水管远传压力表2、负压消除器远传压力表8、常闭式电磁阀10、液位传感器14、水泵加压机组的水泵22、出水总管远传压力表25通过线路与全自动微机控制柜27连接，全自动微机控制柜27内置控制程序，再将全自动微机控制柜27与触摸屏30连接；设备采用限流式无负压控制方式。 

本发明所述的全自动限流式无负压管网叠压供水设备，其工作原理为：通过进水管远传压力表设定限定流量对应的来水压力信号向全自动控制柜中的微机提供压力信息并进行演算，当来水压力大于等于设定压力时，设备正常运行，当来水压力小于设定压力时，设备停机保护。每个用户的具体情况都不同，管网的拓扑结构有环状和枝状类别之分，采用普通的管网水力进行计算，对于管网经常性管理工作较差的供水系统，还可以通过测压、测流等试验工作来获取数据，并逐步使管网管理科学、正规的完善起来。当水力计算结果认为该管段取水能够满足用户需求时，则可批准该用户取水流量，并依据国家标准如《室外给水设计规范》等设计出经济合理的居住小区的进水管路图。 

依据水力计算公式： 

公式(1)：H＝(§a+2§b+§v+λL/d+1)V²/2g 

式中：H-管网接口处水压，L-出水管长度，d-出水管管径，§a、§b和§v为局部损失系数。 

公式(2)：Q＝vnd³/4 

式中：Q-自由出水流量，V-管内流速 

根据计算公式(1)和(2)可计算出该小区进水管路的自由出水流量，即管路向开口容器(水池)送水的流量Q₀。如果在出水管端连接水泵抽水，此流量Q₀就是应限制的负压抽水临界点流量。只要能控制水泵的出水流量小于限制流量Q₀，则不会出现负压抽水现象。应该指出，水泵直接向管网增压时所增补扬程的高低对管网的压力降无任何影响，唯有取水流量是影响管网压力的因素。 

低层住宅与经过水泵加压后送至数十米高的相同户数的高层住宅的用水量是相同的，水泵增压而不增流量，自然不会因为增压而影响管网压力的稳定。所以，只要可以控制住水泵在任何工况下都不会超过限量抽水，即：只需要将“水泵应在管网限定流量下运转不得超量取水”列为管网直接加压供水设备的准用条件就可有理有据有力地加以管理了。 

其中关键的是准确确定限定的流量值对应的压力值。 

确定的方法是画出该用户的进水管路特性曲线P0＝P1-SQ1²

式中：S-进水管路阻力特性系数P0-稳流调节器进水口处压力 

P1-自来水管网压力，Q1-进水管流量 

在曲线上找出负压临界流量Q₀对应的压力值即可。该压力值就是设定的限定压力。 

本发明所述的全自动限流式无负压管网叠压供水设备，一旦限流控制失控也不会形成负压，因为能在其临界状态将其消除，其负压消除原理：进水管从立式稳流调节器中部进水口进水，稳流调节器的顶部通过进气排气阻水阀与负压消除器相连通。稳流调节器满水时进气排气阻水阀关闭，此时稳流调节器为承压的密闭容器。在稳流调节器内产生负压或水位下降时打开进气排气阻水阀，负压消除器中的气体进入稳流调节器，破坏虹吸，消除负压。 

本发明所述的全自动限流式无负压管网叠压供水设备，其设备运行有如下四种工况： 

(1)管流静止状态 

Q1＝Q2＝0，P1＝P2＝0 

其中Q1-进水管流量Q2-出水管流量 

P1-自来水管网压力，P0-进水口压力(P0≈稳流调节器内压力)P2-出水管压力 

(2)管流为连续流状态(稳流调节器满水时) 

Q1＝Q2＝用户使用流量，P0＝P1-SQ1²  P2＝P0+ΔH 

式中：S-进水管路阻力特性系数ΔH-水泵做功扬程 

此时管流可视为连续性非恒定流。水泵依据用水流量的变化而变速运转，自动改变扬程P2和流量Q2满足用水需求。进水管流符合不可压缩流体稳定流动的连续性方程式特征，故Q1＝Q2；进水口压力P0可叠加到水泵扬程上利用。所叠压力是随流量而变化的变量而非定量，更不是管网上的压力P1。 

(3)管流分离状态 

Q1＜Q2，P0≈0，P2＝ΔH 

当用水量增大，水泵转速加快，致使Q2＞Q1，此时由于稳流调节器补水ΔQ＝Q2-Q1，使稳流调节器内水位下降，导致管流拉断，破坏了连续性流态而产生负压。若稳流调节器顶部的进气排气阻水阀可及时打开，向罐内注入气体，则使稳流调节器变成了开口容器。这时的进水流量Q1为管网压力P1和管路阻力特性决定的最大能力流量，是负压吸水的临界流量。水泵此时工况为虽无吸程也无叠压的水池取水方式，出水则是以设定的恒压控制线控制水泵转数的传统变频调速供水方式。形成了出水管流与进水管流不相关的连续性流态，向用户正常供水。 

(4)停机保护状态 

当稳流调节器内水位继续下降至液位传感器低水位16时，强制停机保护；当稳流调节器内水位上升到启泵水位15时，设备自动恢复正常供水。 

Claims (3)

1. 全自动限流式无负压管网叠压供水设备，它包括自来水进管(1)，其特征在于在自来水进管(1)通过管路与稳流调节器罐体(7)连接，在管路上依次设进水管远传压力表(2)、倒流防止器(3)、进水侧气体隔断器(4)、过滤器(5)，稳流调节器罐体(7)内是流量调节器水腔(13)，在稳流调节器罐体(7)的底部设稳流调节器支座(17)，在稳流调节器罐体(7)底部的出水口处设清洗排污阀(29)；水泵机组与旁通管(24)并联后与稳流调节器罐体(7)的底部出水管连接，每套水泵机组的水泵(22)进水口前设蝶阀(20)、可挠性橡胶软接头(21)，水泵(22)出水口设可挠性橡胶软接头、蝶阀、止回阀(23)；旁通管(24)与水泵机组的出水管并联后与出水总管(26)连接，在出水总管(26)上设出水总管远传压力表(25)；在稳流调节器罐体(7)内设液位传感器(14)、液位传感器来水启泵水位(15)、液位传感器低水位(16)；在稳流调节器罐体(7)上方设负压消除器罐体(28)，二者之间设进气排气阻水阀(12)，负压消除器罐体(28)内是负压消除器气腔(11)，在负压消除器罐体(28)上设负压消除器远传压力表(8)、充气阀(9)、常闭式电磁阀(10)；进水管远传压力表(2)、负压消除器远传压力表(8)、常闭式电磁阀(10)、液位传感器(14)、水泵加压机组的水泵(22)、出水总管远传压力表(25)通过线路与全自动微机控制柜(27)连接，全自动微机控制柜(27)与触摸屏(30)连接。

2. 根据权利要求1所述的全自动限流式无负压管网叠压供水设备，其特征在于所述的水泵机组的水泵台数根据用户需要为两台或两台以上。

3. 根据权利要求1所述的全自动限流式无负压管网叠压供水设备，其特征在于采用限流式无负压控制方式。

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