無負壓供水方案選型自動控制方案說明
時間：2013/10/6 來源：浙江揚子江泵業(yè)有限公司
第一部分 SCN無負壓供水方案選型說明
一、工程概述
本工程為，總為 棟樓， 戶 高樓高60米
二、設(shè)計依據(jù)
1） 建設(shè)單位提供的實際工程資料及參數(shù)：見工程概述。
2） 相關(guān)國家及行業(yè)標準規(guī)范：
《建筑給水排水及采暖工程施工質(zhì)量驗收設(shè)計規(guī)范》（GB50242-2002）
《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》 （GB50015-2003）
《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》 （GB50268-1997）
《生活飲用水衛(wèi)生標準》 （GB5749-1985）
《通用用電設(shè)備配電設(shè)計規(guī)范》 （GB50055-93）
《低壓配電設(shè)計規(guī)范》 （GB50054-95）
《電力裝置的繼電保護和自動裝置設(shè)計規(guī)范》 （GB50062-92）
《泵站設(shè)計規(guī)范》 (GB/T 50265-97)
《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》 （GB50009-2001）
《動力機器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》 （GB50046-96）
三、供水方案
需要加壓的部分采用壹套無負壓供水設(shè)備恒壓變頻供水。
四、選型說明
1）生活用水量
依據(jù)《建筑給排水設(shè)計規(guī)范》3.6.1第1條，計算設(shè)計流量：
a) 根據(jù)住宅配置的衛(wèi)生器具給水當量、使用人數(shù)、用水定額、使用時數(shù)及小時變化系數(shù)，按下列公式計算出大用水時衛(wèi)生器具給水當量平均出流概率。
= （%）（1）
式中 U0–大用水時衛(wèi)生器具給水當量平均出流概率（%）；
q 0-高用水日的用水定額；本工程取300L/P·d；
m-每戶用水人數(shù)； 本工程取3.5人；
Kh-小時變化系數(shù)； 本工程取2.5；
Ng-每戶設(shè)置的衛(wèi)生器具給水當量數(shù)；本工程取5；
T-用水時數(shù)（h）; 本工程取24h;
0.2- 一個衛(wèi)生器具給水當量的額定流量（L/S）；
計算結(jié)果：U0=0.0304
b) 計算衛(wèi)生器具的同時出流概率：
(%) (2)
式中 U-衛(wèi)生器具給水當量同時出流概率（%）；
ac-對應于不同的U0系數(shù)；本工程ac值為0.14732；
Ng-衛(wèi)生器具給水當量總數(shù)；
計算結(jié)果：U=0.24；
c) 設(shè)計秒流量：（3）
經(jīng)以上計算本工程所需大小時流量計算結(jié)果：
2)設(shè)備出水壓力
按照 《建筑給排水設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，建筑物所需小服務水頭按下式進行估算：
H≥1.2Hy +
其中： H----不利點所需小服務水頭；
HY---不利配水點與引入管的標高差；
---不利配水點所需流出水頭；
1.2---給水管網(wǎng)在不利點流量分配情況下，克服水泵出口至不利點用水點間的水頭損失而綜合考慮的系數(shù)。
代入數(shù)據(jù)得：H≥65m;
綜上述計算可得，供水設(shè)備系統(tǒng)流量Q＝34m3/h H＝80m
五、 設(shè)備選型
根據(jù)上述計算所得參數(shù)選型如下：
設(shè)備型號： SCWG/3DRL12-8 (Q=34m3/h, H=80m,N=5.5kw*3)
水泵型號： CDL12-8 配置3臺 揚子江不銹鋼多級水泵
流量補償器： YQQ-150 （304不銹鋼） 一套
外形尺寸： φ600mm×1300mm
負壓監(jiān)測系統(tǒng)：NFQ-1 一套
控制柜系統(tǒng)： 一套
管道、 管件、閥門、配套儀表： 一套
六、 管徑大小
泵房進出水管管徑不小于DN150，水表口徑大小為DN150。
第二部分 SCN無負壓設(shè)備自動控制方案說明
一、 指導原則
一） 安全可靠：
１、水泵的保護：無水停機；有水開機；電源缺相停機；電機過載停機；變頻器報警停機等。大限度保護水泵的安全。
２、變頻器的保護：過電壓保護、欠電壓保護、加速時過電壓保護、加速時欠電壓、減速時過電壓、減速時欠電壓、電機溫度過高保護、電機負載太小保護、變頻器過載等保護。
３、電源保護：當流過電流過大時，系統(tǒng)自動斷電達到安全的目的。當遇有雷擊時，系統(tǒng)防雷模塊自動啟動保護系統(tǒng)。
４、信號防雷：在信號系統(tǒng)中，也加入了防雷模塊，達到系統(tǒng)的保護目的。
二） 節(jié)能：
我們在自動控制中運用了能耗小的并聯(lián)泵組合理運行搭配及調(diào)速方式的控制理論對設(shè)備進行控制，使泵處于佳工作點，從而達到比普通變頻供水更節(jié)能的效果。
三） 節(jié)約用戶運行成本：
在實時監(jiān)控系統(tǒng)中，采用互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，這樣就大大節(jié)約了用戶運行的成本。用戶只要每月交固定的寬帶包月費用就可以，省去了傳統(tǒng)的電話線、或無線申請頻點等費用。
二、 控制原理
1、變頻供水行業(yè)存在以下問題：
A 在滿足用戶的需水量及保證供水壓力的情況下，開并聯(lián)泵組時，水泵節(jié)電很少甚至不節(jié)電；一臺調(diào)速泵運行時，節(jié)電很少或不節(jié)電。
B當工況點、管網(wǎng)參數(shù)等情況發(fā)生變化后，且在泵站系統(tǒng)滿足工況條件下，調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)運行不穩(wěn)定現(xiàn)象，從而造成節(jié)能效果不能保持低的單位電耗值。
2、在此基礎(chǔ)上，我公司在控制理論上應用了以下理論使能耗�。耗芎男〉牟⒙�(lián)泵組合理運行搭配及調(diào)速方式的控制理論：在泵站系統(tǒng)的工藝參數(shù)（流量、壓力）、設(shè)備參數(shù)（水泵、電機、調(diào)速裝置）等確定的情況下，采用小二乘法理論找出H-Q之間的函數(shù)關(guān)系，運用并聯(lián)泵組特性曲線擬合法，自動找出一套耗能小的運行搭配和調(diào)速方式，即優(yōu)化泵組合方案（運行搭配合理的泵組工況點穩(wěn)定運行在高效區(qū)間內(nèi)）。當然，該優(yōu)化泵組合方案并不一定是每臺水泵都能達到優(yōu)，在這里是指一個泵站內(nèi)水泵優(yōu)化組合后的總體效果，可以形象的說把整個泵站內(nèi)已優(yōu)化組合后的每一泵組合方案看作一臺"水泵"，我們把泵組合方案稱為"虛擬水泵"，而這一臺"虛擬水泵"在一定壓力和流量下，用小二乘法理論計算出"虛擬水泵"的特性方程和特性曲線為標準，找出"虛擬水泵"高效區(qū)的范圍。當“虛擬水泵”的工況點不在高效區(qū)內(nèi)運行時，控制系統(tǒng)可根據(jù)水泵調(diào)速的相似定理和等效率原理，通過設(shè)定參數(shù)自動調(diào)整變頻泵的運行工況點，使動態(tài)運行"虛擬水泵"的工況點處在高效區(qū)內(nèi)，此時單位流量耗能小（控制原理示意見圖1）。
3、并聯(lián)泵組合理運行搭配的數(shù)學方法
水泵的運行方式一旦確定，其流量(Q)和揚程(H)就存在一定的關(guān)系，即Q-H關(guān)系，通用表達式為：H=a0+ a1Q+a2Q2,利用小二乘法對該 二次曲線進行擬合，從而可確定以上關(guān)系式中的a0,a1,a2的參數(shù)，畫出泵組標準的Q-H曲線，找出“虛擬水泵”的高效區(qū)。在Q-H曲線上先取若干個點，查出各點對應的Q、H值，構(gòu)成X、Y、P三個矩隈，再利用小二乘法的計算公式(1)，可確定出水泵的特性參數(shù)a0, a0, a2:
P=(XXT)-1(XY) (1)
式中：
4、泵組調(diào)速方式的控制理論
由(1)、(2)兩計算公式可得出“虛擬水泵”所有的泵組全方案中的H-Q曲線方程。根據(jù)相似定律，可以得到下式：
Q1/Q2=n1/n2,H1/H2=(n1/n2)2,N1/N2=(n1/n2)3;
欲使調(diào)速后的“虛擬水泵”方案工況點運行在高效區(qū)內(nèi)，可根據(jù)相似定理和等效率原理，使“虛擬水泵”調(diào)速后的特性曲線經(jīng)過設(shè)定的（流量、壓力）參數(shù)點，此點就是“虛擬水泵”的佳工況點。
三、自控系統(tǒng)組成及功能說明：
１、設(shè)備具有遠程網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，可以對現(xiàn)場的設(shè)備進行遠程控制:
a、啟動、停止;
b、更改設(shè)定壓力;
c、對時間段進行設(shè)定及更改；
d、對相應時間段內(nèi)的壓力值更改；
e、四個時間段可以設(shè)定；
f、對每個時間段可以使其有效和無效。
２、MODEM遠程監(jiān)視
對設(shè)備運行過程當中的參數(shù)：水泵電流、當前電壓、電機頻率、進水壓力、出水壓力、設(shè)定壓力、設(shè)定時間段、每臺泵的累計運行時間、每臺泵的運行狀態(tài)（工頻或變頻）、兩臺泵功率、進水流量瞬時和累計、出水流量瞬時和累計、門禁開關(guān)、有無市電開關(guān)、濁度、余氯等參數(shù)有遠程監(jiān)視的功能（其中流量計、水質(zhì)儀表、門禁開關(guān)一次儀表由用戶提供）。在監(jiān)控中心可以直觀地、實時顯示上述設(shè)備的各種運行狀態(tài)。另外，開關(guān)量和模擬量具有可擴展性。
３、圖像傳輸
本設(shè)備是利用寬帶網(wǎng)絡(luò)進行的圖像傳輸。它具有多人可同時監(jiān)控一個受控點；圖像傳輸速度快等優(yōu)點。每月只要交付寬帶的月租費用即可。
４、遠程報警
當設(shè)備出現(xiàn)故障或變頻報警時，要具備向監(jiān)控中心或設(shè)備管理人員報警的功能。當出現(xiàn)變頻器報警、電源缺相、過流、過壓、過載、停電、缺水、長時間達不到設(shè)定壓力時，要向遠程中心拔號報警。
５、設(shè)備要求具有自動保護功能，具有過電流、過電壓、欠電壓、缺相、過載、變頻器故障等保護功能，并且設(shè)備具有自動報警和運行狀態(tài)提示功能。
６、設(shè)備采用多臺水泵并聯(lián)互為備用工作方式時，具備各水泵機組均衡工作的技術(shù)。
７、對于PLC軟件，提供功能說明書，源程序。功能說明書上包括各開關(guān)量和模擬量的輸入輸出和處理，MODEM的數(shù)據(jù)傳輸、實時監(jiān)控接口數(shù)據(jù)的傳輸。
８、泵房全部的信號傳遞和控制是通過PLC的，在控制屏上要配小的人機操作界面。
９、設(shè)備的控制過程說明：
本設(shè)備是全自動供水設(shè)備，可以對用戶提供無負壓供水。它的工作過程如下：當人為啟動設(shè)備使其自動運行時，先檢測有無進水，在保證有進水的前提下，檢測出水壓力是否小于設(shè)定的壓力，若小于設(shè)定壓力則啟動累積運行時間少的一臺水泵進行變頻供水；當出水壓力還小于設(shè)定壓力時，檢測其小于設(shè)定壓力時間持續(xù)2分鐘以上，本水泵變頻轉(zhuǎn)工頻，啟動下一臺水泵變頻運行以達到恒壓供水（若有兩臺泵以上，則判斷其累積運行時間，取其運行時間短且沒有故障的）。當此時用水量減�。匆袁F(xiàn)在的狀態(tài)運行，出水壓力大于設(shè)定壓力）時，出水壓力就會增高，這時變頻水泵會降低頻率，當頻率低于20HZ且時間持續(xù)5min以上，這時停止先啟動的水泵，保證先啟動先停止，使兩臺水泵使用的累積時間相差很小。當沒有進水時即進水壓力為零且持續(xù)2分鐘以上時，設(shè)備自動停機，以保護水泵及電機。當出現(xiàn)用戶用水量增大或爆管現(xiàn)象時即水泵全部啟動且時間超過設(shè)定的要求比如30min還是達不到設(shè)定的壓力時，向遠程監(jiān)控中心報警。當斷電后，再來電時，PLC上電自檢，在電壓正常、進水壓力正常、無各報警信號后，啟動設(shè)備按停止前的設(shè)定的壓力恒壓供水。
１0、本控制柜有自動和手動兩種方式，在自動中又分遠控和近控兩種方式，其中手動和自動是互鎖的，它是以一個主令開關(guān)控制的。遠控和近控是一個指示燈，當從監(jiān)控中心向其發(fā)出指令控制時，其燈亮；當監(jiān)控中心取消控制時，其燈熄滅。其優(yōu)先權(quán)是遠控優(yōu)先于近控；手動優(yōu)先于自動。如水泵維修時不能有遠程控制功能和自動投入運行功能。如果有一臺泵出現(xiàn)故障不能運行，這一臺泵要退出自動運行和不能遠程啟動這臺水泵，這時變頻器要自動啟動另一臺水泵，這樣用戶應到現(xiàn)場檢修設(shè)備，查明故障具體出現(xiàn)原因。這時遠程監(jiān)控信號也已經(jīng)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心了。
１1、本設(shè)備要預留擴展模擬量模塊或開關(guān)量模塊的位置,當擴展模塊安裝上去后,軟件不做任何改動可以投入使用。
第三部分 無負壓設(shè)備技術(shù)經(jīng)濟投資分析說明
一、供水方式
傳統(tǒng)的二次加壓的供水采用水池、水箱和水泵聯(lián)合供水方式，即由市政管網(wǎng)供水至水池，利用水泵和水箱調(diào)節(jié)流量。該方案雖能滿足供水壓力的穩(wěn)定性和供水的可靠性，但由于自來水全部被放入水池中，再經(jīng)過水泵二次加壓提升至水箱向用戶供水，不能利用自來水原有壓力，系統(tǒng)能耗大；安裝維護麻煩；同時因需要修建水池和水箱而帶來的如一次性基建投資大，容易造成二次污染、漏水等一系列弊病。其供水方式原理圖如下：
傳統(tǒng)供水方式原理圖
杭州雙成供水設(shè)備有限公司公司采用的SCN型全自動變頻無負壓供水設(shè)備，不需要修建水池和加設(shè)水箱，二次加壓供水設(shè)備可直接同市政管網(wǎng)聯(lián)接，采用密閉式的穩(wěn)流調(diào)節(jié)器和負壓抑制器，利用PLC（可編程控制器）控制，自動調(diào)節(jié)，使自來水管道不產(chǎn)生負壓，而且設(shè)備可疊加自來水管網(wǎng)的壓力，達到節(jié)能的目的；與傳統(tǒng)供水設(shè)備相比優(yōu)勢明顯。其供水方式原理圖如下：
SCN型全自動變頻無負壓供水方式原理圖
二、無負壓
負壓形成及消除的有效性
管路中瞬變流是產(chǎn)生負壓的重要原因如管網(wǎng)內(nèi)壓力突然波動；水泵快速啟動和臺數(shù)切換；水泵震蕩、失控、突然升速；出水管斷裂等很多情況下都會產(chǎn)生瞬變流，水柱分離而產(chǎn)生負壓區(qū)。
我公司通過微電腦控制系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)合控制負壓抑制器、穩(wěn)壓控制器實現(xiàn)無負壓供水；從而避免對自來水管網(wǎng)產(chǎn)生影響。一方面負壓抑制器自動控制啟閉，智能補償水泵工作時瞬變流對管網(wǎng)的抽吸、平衡穩(wěn)流調(diào)節(jié)的壓力使之不產(chǎn)生負壓，一方面智能控制水泵平緩啟動，避免水泵的失控、突變而造成對管網(wǎng)的影響。
三、節(jié)能
因與自來水管網(wǎng)直接串聯(lián)，利用水泵的疊加原理，充分利用自來水管網(wǎng)的壓力，只對自來水的進水壓力和所需壓力的差進行補壓。當自來水滿足要求時設(shè)備就停止工作，全部由自來水直供，與其他供水設(shè)備相比，節(jié)電可達50%-90%以上。
四、節(jié)約設(shè)備一次性投資
就設(shè)備投資而言，普通變頻加壓供水設(shè)備必須建設(shè)一個大型的蓄水池，無論在技術(shù)上還是項目投資上都是一筆不小的數(shù)目。大型水池相應的增加了泵房的占地面積，更加降低了土地利用率增加了投資。
而SCN型全自動管網(wǎng)直聯(lián)罐式無負壓成套供水設(shè)備不需要建水箱及泵房，節(jié)約占地面積。同時你可以把省下來的面積改造成車庫，這樣增加了投資收益。
五、水箱內(nèi)水質(zhì)污染問題
大型水箱由于內(nèi)部水量較大，水池內(nèi)的新舊水源交換比較緩慢，這樣水箱內(nèi)細菌繁殖速度就會加快，不良細菌含量過高，造成了嚴重的二次污染。
SCN型全自動管網(wǎng)直聯(lián)罐式無負壓成套供水設(shè)備全封閉運行，不會造成二次污染。
六、智能化程度高
采用高性能變頻調(diào)速器，配備先進的可編程控制器，無需人員職守，無水自動停機，來水自動開機。水泵定時自動切換，過流、過壓、過載、欠壓自動保護。
七、安裝簡便、節(jié)省占地面積
設(shè)備體積小，節(jié)省占地面積，對泵房的基礎(chǔ)無特殊要求，成套出廠，到現(xiàn)場直接與自來水對接，安裝快捷方便，施工周期短。
八、產(chǎn)品先進、質(zhì)量可靠、服務好
本設(shè)備完全按國際ISO9001：2000質(zhì)量保證體系設(shè)計、生產(chǎn)、檢驗、服務；設(shè)備配置經(jīng)過諸多生產(chǎn)廠家的篩選，具有可靠的質(zhì)量保證。產(chǎn)品的關(guān)鍵零部件，如：電機、水泵、變頻器、可編程控制器、斷路器、繼電器等采用國際國內(nèi)知名品牌。
售后服務：設(shè)備保修期為一年，保修期內(nèi)正常使用，屬于質(zhì)量問題造成的一切故障，我公司無償修復或更換。
自設(shè)備正常使用之日起，保修期內(nèi)我公司派專人每三個月一次免費巡檢。
超出保修期以后，我公司永久性的對設(shè)備一年一次巡檢，確保設(shè)備百分百可靠；接到用戶維修電話后，售后服務人員將在第一時間趕赴現(xiàn)場進行維修。
本公司免費為客戶提供技術(shù)咨詢、應急操作。
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