無負壓給水設(shè)備應具有兩項基本功能。一是“無負壓”功能,即不使取水管路中產(chǎn)生負壓,二是控制水泵增壓送水,滿足用水端的壓力和流量需求。有一種觀點認為：在傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水設(shè)備的前端，增加上“無負壓”的技術(shù)措施就成為了具有兩項功能的無負壓給水設(shè)備。對于把這項新技術(shù)簡單化的觀點,筆者不敢茍同。因為,當水泵直接由管網(wǎng)抽水,在疊加管網(wǎng)壓力的工況下運轉(zhuǎn)時，水泵的特性及控制系統(tǒng)特性均有所變化，與水池取水加壓時有很多不同。同時,水泵進水的管路(管網(wǎng))與水泵出水管路緊密連接,形成了流體連續(xù)輸送,壓力直接傳遞的動態(tài)過程。這些是傳統(tǒng)的變頻調(diào)速技術(shù)所未曾涉及的新課題.是無負壓供水設(shè)備自身特點所產(chǎn)生的新的問題點。

本文將其歸納為三點，論述如下：       

1. 管網(wǎng)疊壓的不確定性造成選泵困惑及運行中不良工況的出現(xiàn)。水泵吸水口可疊加的壓力知多少?是較難準確定量的問題。在設(shè)計選泵時,有可能無法得到準確的數(shù)據(jù),因為管網(wǎng)壓力并非穩(wěn)定,而是受很多因素的影響而變動,如管網(wǎng)供水“時變化曲線”的高峰和低谷,管網(wǎng)運行調(diào)度跟蹤用水量變化不及時；管網(wǎng)因工事或維修關(guān)閥倒閘改變送水路徑；管網(wǎng)受瞬變流的沖擊等情況均會使管網(wǎng)壓力變化,有時會幅度很大。另外,水泵可疊加的管網(wǎng)壓力是由管網(wǎng)在引水管接口處的壓力和引水管路阻力特性兩項數(shù)據(jù)決定的,是隨流量變化的函數(shù),也是一個變量。        

      從理論上講,選泵應考慮“疊壓”因素。利用疊壓的條件,可使所選水泵額定壓力和功率降低,并使水泵疊壓后仍能在高效率區(qū)運行,不出現(xiàn)超壓、過負荷等不良工況。但由于疊壓數(shù)值往往不能準確采取而令人困惑。 主張不用考慮疊壓,按所需最大流量和最不利點所需壓力選泵的理由也很充分。因為大多數(shù)無負壓設(shè)備在進水罐上吸氣閥打開或曰負壓消除器工作時,水泵吸水口已無壓可疊。再者,如果管網(wǎng)方面常常不能保證選泵時所疊之壓力則水泵會無能力滿足用水需要。不考慮疊壓選泵而水泵要疊壓運行則必需有技術(shù)上的對策。一方面需要控制水泵能夠在低頻率饋電下運轉(zhuǎn)，而水泵電機在低頻運轉(zhuǎn)時會有很多技術(shù)問題,例如:電機的低頻饋電下發(fā)熱、低頻時機械共振、哨叫噪音、水泵在低頻小流量會偏離高效率區(qū)和穩(wěn)定工況區(qū),以及低轉(zhuǎn)速時水泵上端積氣,造成真空度跌落,使之升速時則不會出水,空攪泵殼體內(nèi)死水發(fā)熱等等。因此,不疊壓選泵時水泵可能長期在低頻下運轉(zhuǎn),就應有針對水泵低頻運轉(zhuǎn)工況的技術(shù)措施,避免上述問題或故障的發(fā)生。同時,因為水泵在疊壓幅值較高時有可能出現(xiàn)高效區(qū)右端以外的不良工況使水泵超負荷或氣蝕區(qū)工作而產(chǎn)生故障,這就要求對水泵的允許運行區(qū)間進行控制,使其在規(guī)定的安全、高效范圍內(nèi)工作并滿足用水需求。       

       管網(wǎng)疊壓的不確定性,造成了水泵運行工況難以把握。因此,關(guān)于無負壓給水設(shè)備如何配泵、如何控制、如何節(jié)電等,涉及運行工況解析和控制特性分析的技術(shù)課題,是應該深入研究的。        

2.   水泵工況受雙重擾動,自動控制系統(tǒng)動態(tài)特性變得更壞。傳統(tǒng)的變頻水泵控制 大多是水泵出口壓力恒定的控制模式。由于二次加壓系統(tǒng)的管路特性中幾何水頭(靜揚程)占較大比例,管路阻力損失水頭相對較小,簡單的出口恒壓控制,一般能夠滿足用戶調(diào)節(jié)流量的需要。因而自動調(diào)速系統(tǒng)多用經(jīng)典控制理論的PID調(diào)節(jié)方式。由于水泵特性和工況的非線性改變和各種不確定的擾動只能作定性分析,難以建立準確的數(shù)學模型,一般將水泵建立水壓過程作為一個純滯后的一個階慣性環(huán)節(jié)來計算采用PI調(diào)節(jié)方式。而這種方式,往往動態(tài)性能較差。由于變頻調(diào)速供水設(shè)備的產(chǎn)品標準中,只規(guī)定了一個“壓力控制精度不得超過±0.01MPa”的指標來評價自動控制系統(tǒng)的品質(zhì)。所以系統(tǒng)只要靜態(tài)偏差達到指標即為合格。其實,忽略調(diào)速過程動態(tài)特性的要求,片面追求靜態(tài)偏差,甚至犧牲動態(tài)品質(zhì)來完成靜偏差指標是舍本逐末的事。因為從用戶用水要求來看,水泵壓力有些偏差,對用水的流量需求和舒適性的感覺都影響不大。例如：用戶打開了一只DN15mm的水龍頭,每分鐘出水10～17升時用戶沒有不適的感覺，都會欣然接受。也就是對水咀柱上水頭沒有精確到0.01MPa的要求。而用戶對調(diào)速動態(tài)特性的不良確有明顯的反感。例如動態(tài)過程中壓力振蕩幅值過大、振蕩頻率太快、次數(shù)太多、周期太長或壓力過高過低時響應速度不夠等待時間過長等等。動態(tài)過程不良造成的管路振蕩、水流喘振、忽大忽小、噴濺、噪音等都是令人難以接受的。更有甚者,在冷熱水混合用水器具上,冷水的振蕩幾乎使水溫無法調(diào)節(jié)……。

       由此可見,決定變頻供水設(shè)備供水品質(zhì)的是控制系統(tǒng)的動態(tài)特性。動態(tài)特性不良的問題在無負壓給水設(shè)備的控制系統(tǒng)中將變得更加嚴峻,這是因為水泵疊加管網(wǎng)壓力運行時,工況點的改變不僅受用戶流量調(diào)節(jié)時的擾動,而且受管網(wǎng)壓力波動的影響,即受到來自進水端和出水端兩個方向的雙重的擾動。       

       用戶根據(jù)自己的需要,隨機性地開啟、調(diào)節(jié)或關(guān)閉水咀。這種調(diào)節(jié)流量的動作從理論上講是用戶用水操作改變了管路阻力特性曲線而使水泵工況改變,因而產(chǎn)生了偏離目標壓力的擾動或曰偏差。經(jīng)PI調(diào)節(jié)運算后產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號,調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)數(shù),使其重回設(shè)定值。一般情況下,用戶流量變化的需求是較緩慢的漸變過程,所以管路特性曲線變化比較平緩。這是PI調(diào)節(jié)可以應付的特性。        

       而來自進水端的管網(wǎng)壓力波動則是另外一種情況。疊加在水泵上的管網(wǎng)壓力的變化,實際上是改變了水泵的特性曲線,使工況點突變而偏離目標壓力設(shè)定值,這是不同于前者的擾動動作。由于系統(tǒng)具有雙重的擾動,不同的偏差機理,不同的數(shù)學關(guān)系式,使用一個簡單的PID傳統(tǒng)控制就企求良好的動態(tài)特性是難以辦到的。因此,把無負壓給水設(shè)備的控制等同于傳統(tǒng)變頻供水設(shè)備的控制是認知上的誤區(qū)。還應該指出的是,市政管網(wǎng)一方往往只是強調(diào)“無負壓”的功能,而忽略了對水泵控制的技術(shù)要求,認為這是用戶方面的事情,與管網(wǎng)關(guān)系不大。實際上則不然,在管網(wǎng)能力足夠,管網(wǎng)壓力偏高的管段上,因取水流量過大而產(chǎn)生負壓的可能性和機率很小,大可不必過份的擔心。而由于水泵控制特性不良,調(diào)速振蕩而產(chǎn)生的水泵脈動,直接傳遞到管網(wǎng),不僅會使管網(wǎng)在流量波動中產(chǎn)生積氣、氣囊等安全隱患,而且因流體振蕩沖刷管路也會造成水質(zhì)的變壞,出現(xiàn)“赤水”或“濁水”。水泵脈動還會影響水表精度和使用壽命。因此,同管網(wǎng)連接在一起的增壓水泵脈動和它對管網(wǎng)的影響是不應忽視的問題。        

3.   變頻調(diào)速給水設(shè)備原有的缺點被放大。傳統(tǒng)的出水口恒壓變頻供水設(shè)備因其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行方式的固有缺點,具有“不節(jié)能”的屬性。這是因為:(一)水泵出口恒壓控制線與管路阻力特性曲線存在偏差,恒定壓力的設(shè)定值應是能夠滿足最大流量時的所需壓力,而此值與流量變化不相關(guān),始終為一常數(shù)。因此在流量減小過程中,控制壓力高于所需壓力,產(chǎn)生超流量出水或管路阻力損失加大等費能現(xiàn)象。(二)采用定速泵與變速泵并聯(lián)工作,即2臺泵(一般是同型號)同時工作來達到最大流量的配置,也具有“不節(jié)能”性,若保證水泵在定速時效率為最高,則變速水泵在所分擔之送水流量較小時則不在高效率區(qū)運行，使整體低效率。當這樣的系統(tǒng)用于“無負壓”(疊壓)供水時,其結(jié)構(gòu)上不節(jié)能屬性會被放大,本來疊加了管網(wǎng)的余裕水頭應可節(jié)能,但若把水泵推上了低效率工況區(qū),不但抵消了“節(jié)能”,而且水泵運行的安全性和壽命也可能受到影響,甚至產(chǎn)生工程隱患和故障。        

       傳統(tǒng)變頻供水設(shè)備的另一項固有缺點是定速泵投入或退出系統(tǒng)的切換過程存在嚴重的缺陷。由于兩臺泵或三臺泵交替使用一臺變頻器供電(被稱為“一拖二”或“一拖三”),因此,當一臺變頻泵工作到50赫茲仍不能滿足用水需要時,要將變頻電源切斷,改用工頻電源,然后將變頻器投入到第二臺水泵,使其軟啟動并在調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制下運轉(zhuǎn)。這樣的過程,首先是瞬間斷電、斷水使管路壓力陡降或產(chǎn)生水錘，造成對系統(tǒng)強烈沖擊,是對安全運行的一次威脅。同時,對于電氣系統(tǒng)這也是一次嚴重“沖擊”,對變頻器、電動機及切換電器都有損害。在切換過程中變頻器是在最大負荷電流時(頻率接近50赫茲時)突然卸載,這會損害大功率開關(guān)管或減少其壽命。對于電動機突然失電、過猛的沖擊,有損機電部件壽命。同時,在電機斷電后仍存在反向感應電勢之時,再次合閘供上工頻電源則會產(chǎn)生很大的電流沖擊。而對于此時的變頻器來說,在其卸載過程中,內(nèi)部電容正在放電,又突然加上待啟動的電機低感抗負載,,啟動電流則會很大。電氣系統(tǒng)的沖擊往往會導致保護跳閘,而使供水中斷。在水泵疊壓之后,切換過程中水流和電流的沖擊都會加大，系統(tǒng)的可靠性面臨考驗。而且，在切換臨界點左右的用水量變化和管網(wǎng)壓力波動(雙向擾動)會造成“頻繁切換”，使供水無法穩(wěn)定甚至使系統(tǒng)崩潰。

       本文指出的問題涉及供水設(shè)備的安全可靠性、運行穩(wěn)定性、用水舒適性以及節(jié)能性等主要性能。由于無負壓給水設(shè)備的這些重要品質(zhì)指標還沒有評價標準,也缺少檢驗方法和手段,使得用戶面對魚龍混雜的無負壓給水產(chǎn)品,不知如何選擇。同時,低水平下重復開發(fā)的“新產(chǎn)品”不斷涌現(xiàn),一味追求“外觀光亮”、“進口泵”、“觸摸屏”等華而不實的“技術(shù)進步”或“產(chǎn)品換代”都使人感到更加困惑從而動搖了推廣應用這項新產(chǎn)品的信念。管網(wǎng)直接加壓供水具有節(jié)能和減少水質(zhì)二次污染的突出優(yōu)點,是值得大力推廣的新技術(shù)。無負壓給水設(shè)備的市場前景非常廣闊,但唯有真正能提升用戶用水品質(zhì)的優(yōu)秀產(chǎn)品才會被用戶廣泛接受。