一、      研究的目的意義

       城鎮(zhèn)供水的“水質(zhì)安全”是關(guān)系到廣大城鎮(zhèn)居民身體健康、生命安全、社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大問題。為此，國家將“水質(zhì)污染控制技術(shù)與治理工程”列為國家“十五”期間12個(gè)重大科技專項(xiàng)之一。將“提高供水安全保障程度”列為國家重點(diǎn)資助領(lǐng)域，特別強(qiáng)調(diào)要“開展安全飲用水保障供給技術(shù)”的專項(xiàng)研究。

       我國大部分城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)，由于供水管網(wǎng)覆蓋面積大并采用二次加壓方式供水，經(jīng)過水廠嚴(yán)格凈化處理及消毒的符合國家生活飲用水水質(zhì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的自來水，在輸送、蓄儲和二次加壓過程中會(huì)產(chǎn)生二次污染而影響供水水質(zhì)安全。目前，我國大多數(shù)城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)經(jīng)過多年的管網(wǎng)改造及水質(zhì)管理等大量工作，使管網(wǎng)水質(zhì)合格率達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)。但是，二次污染事故仍大量出現(xiàn)在二次加壓環(huán)節(jié)上，其中，貯水池和高位水箱是主要的污染源。因此，開發(fā)出可以取消水池根除二次污染的新型供水設(shè)備，取代傳統(tǒng)型的高位水箱式、氣壓給水方式和常用變頻調(diào)速供水設(shè)備，必然會(huì)具有廣闊的市場前景，并會(huì)產(chǎn)生良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

        我公司針對徹底根除二次污染，保障水質(zhì)安全這一具有重大意義的課題，提出了“將自來水直接到戶”的供水模式作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程來研究的計(jì)劃，開展了多項(xiàng)課題研究工作，“JMT無負(fù)壓給水”新產(chǎn)品的開發(fā)就是其中之一。

       本課題的主要研究目的是為了在供水管網(wǎng)上直接串接水泵加壓送水，從而取消水池、水箱等水體暴露貯留等產(chǎn)生二次污染的中間過程，在全密閉的環(huán)境下，將合格的自來水直供到用戶的每一個(gè)水嘴。然而，這種從管網(wǎng)中直接串泵抽水的方式一直是供水系統(tǒng)的禁區(qū)。國家城鎮(zhèn)供水條列規(guī)定“禁止在城市公共供水管道上直接裝泵抽水”其主要理由是水泵直接抽水會(huì)在管路中產(chǎn)生負(fù)壓或稱真空現(xiàn)象，使管路壓力陡降，波及相鄰的用水戶正常用水，還會(huì)產(chǎn)生管道回流、積氣、振蕩、水錘等影響管網(wǎng)供水安全的副作用。因此，“無負(fù)壓”是產(chǎn)品開發(fā)研究的首先要解決的問題。

       然而，本課題的研究并沒局限于簡單的消除負(fù)壓的具體技術(shù)手段的研究上，而是從整個(gè)城市供水系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)直接供水模式的系統(tǒng)性、完整性來定位無負(fù)壓供水設(shè)備的功能、性能和技術(shù)指標(biāo)并進(jìn)行更深層次的研究和實(shí)驗(yàn)，以使得新產(chǎn)品具有先進(jìn)性、實(shí)用性和廣泛的適用性，以理論上和實(shí)踐上的說服力，真正的被業(yè)界接受和歡迎。

 

二、      國內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢

       國內(nèi)“無負(fù)壓供水設(shè)備”的研究成果已在1997年以專利產(chǎn)品的方式推出。近幾年來陸續(xù)有新廠家推出同類產(chǎn)品。國外關(guān)于此類產(chǎn)品和技術(shù)的研究從八十年代后期開始，其中，日本在1990年就已經(jīng)將取消中間水池、水槽、高位水箱為目標(biāo)的直接供水系統(tǒng)的構(gòu)筑作為國家行政層面的方針政策予以推動(dòng)。將其作為面向“21世紀(jì)水道整備的長期目標(biāo)”。在國家政策引領(lǐng)和推動(dòng)下，不少城市，例如名古屋市、橫須賀市、神戶市等供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了直接供水到戶。有關(guān)“直供水管道水頭損失的研究”、“水泵直抽水影響模型”、“直串水泵及復(fù)數(shù)泵啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)、停止、調(diào)速時(shí)管網(wǎng)波動(dòng)的研究”以及與該系統(tǒng)配套的水泵、止回閥等設(shè)備的研究等方面，都有很多成果可供參考和借鑒。

       管網(wǎng)直接供水到戶，是根治二次污染的最徹底、最經(jīng)濟(jì)、最具保證和最可信賴的方式，是城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)的發(fā)展方向。因此該類技術(shù)產(chǎn)品市場前景十分廣闊。然而，直接供水方式是一個(gè)從水廠送水――配水管網(wǎng)――串泵加壓――終端用戶水嘴的連續(xù)流程，是一項(xiàng)涉及諸多技術(shù)課題的系統(tǒng)工程。如果無計(jì)劃地盲目推廣“無負(fù)壓二次供水設(shè)備”,很可能會(huì)使系統(tǒng)的隱性問題暴露對全體產(chǎn)生不安定的影響。所以，一些城市在有條件準(zhǔn)入的同時(shí)，開展了相關(guān)的研究工作。

 

三、      項(xiàng)目的主要內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)

       目前國內(nèi)的稱之為“無負(fù)壓（無吸程）二次加壓供水設(shè)備”大多采用“真空補(bǔ)償器”等類閥門自動(dòng)補(bǔ)氣的方式。在管路或儲水罐中產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)自動(dòng)打開閥門，吸入大氣，破壞真空，使原先密封的儲水罐等效為一個(gè)開口容器。這是一個(gè)產(chǎn)生負(fù)壓后再消除負(fù)壓的過程。而本項(xiàng)目所研究的是消除負(fù)壓生成條件使設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不產(chǎn)生負(fù)壓的新方法。并且可在管網(wǎng)約束條件下運(yùn)行，避免對管網(wǎng)的不良沖擊，保證管網(wǎng)內(nèi)流態(tài)的穩(wěn)定平滑的變化，使管網(wǎng)安定運(yùn)行，為了這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，本課題確定研究內(nèi)容如下：

1、深入研究負(fù)壓生成機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出消除負(fù)壓生成條件并使其根本不產(chǎn)生負(fù)壓的設(shè)計(jì)理念。并以此進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。

2、水路系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)。包括動(dòng)態(tài)過程對水泵能力和特性影響、泵吸側(cè)的影響、多臺水泵并聯(lián)的影響，水泵的脈動(dòng)問題，對水表精度的影響，止回閥的功能，以及進(jìn)水管、緩沖水罐、出水能力等最佳配置參數(shù)，在此研究實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出水路計(jì)算的原則和方法。

3、自動(dòng)控制原則和方式的研究。這需要解決的關(guān)鍵問題是滿足管網(wǎng)的約束條件、滿足用戶需求、根除負(fù)壓產(chǎn)生條件等三項(xiàng)原則的一種新的控制方式。避免系統(tǒng)出現(xiàn)調(diào)速振蕩，響應(yīng)速度不當(dāng)和抗干擾性能不良時(shí)使水流態(tài)喘振并可能產(chǎn)生管路負(fù)壓。

4、產(chǎn)品硬件和軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)是應(yīng)用以上完成的理論成果和試驗(yàn)結(jié)果開發(fā)出產(chǎn)品。本課題本著高起點(diǎn)，精益求精的原則，使產(chǎn)品具有高品質(zhì)、高可靠性、實(shí)用性強(qiáng)、操作簡單。基本免維護(hù)的性能并符合國家有關(guān)供水設(shè)備的質(zhì)量要求及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

 

四、JMT設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理：

1、進(jìn)水壓力緩沖罐。

       穩(wěn)定進(jìn)水壓力，減緩管網(wǎng)壓力波動(dòng)影響，補(bǔ)償因瞬變流態(tài)和水泵振蕩時(shí)的流量差。采用立式罐體，保持高于進(jìn)出口1m以上的重力水頭，緩解水錘沖擊，罐體容積按水泵1分鐘水量計(jì)算，（試驗(yàn)數(shù)椐，尚無優(yōu)化理論和計(jì)算方法）。罐頂裝現(xiàn)場觀查壓力表及排氣閥，運(yùn)轉(zhuǎn)中無需補(bǔ)氣和排氣。

2、進(jìn)水口壓力變送器，將壓力轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號參予控制過程演算。并依演算結(jié)果限定水泵出水量。

3、在罐體上留有DN100法蘭接口，作為消毒設(shè)備接合口。

4、在水泵進(jìn)水口匯合管側(cè)裝有快裝卡箍盲板，作為設(shè)備放空口。

6、旁通管在設(shè)備因停電或檢修時(shí)將自來水壓頭送至用戶，不致全區(qū)無水。

7、水泵為1用1備配置，1臺泵按用戶最大需量選型，滿足用戶需求。不采用流量不足時(shí)加開定速泵的傳統(tǒng)切換方式。水泵軟啟動(dòng)、軟停止、防止流態(tài)突變。

8、依據(jù)北京市衛(wèi)生局文件要求，進(jìn)水管段上加裝倒流防止器和過濾閥。

9、當(dāng)出水壓力過高或管路較長時(shí)，在出水總管上增設(shè)緩閉止回閥，作為防水錘、防倒流的第一道防線。

 

五、“JMT無負(fù)壓給水設(shè)備”研究成果綜述

1、獨(dú)創(chuàng)性的提出了“根本不產(chǎn)生負(fù)壓而不是產(chǎn)生了負(fù)壓再消除它”的設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

壓力管路中串泵抽水時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓的條件是在水力過渡過程中進(jìn)口水量Q1小于出口水量Q2時(shí)出現(xiàn)水柱分離及再彌合現(xiàn)象從而破壞了非恒定流動(dòng)的連續(xù)性，即負(fù)壓生成。“負(fù)壓”是管路氣囊、氣阻、水錘、壓力振蕩等危及管網(wǎng)安全的主要隱患。

       JMT設(shè)備是在對水力過渡過程深入研究的基礎(chǔ)上提出了求解最不利參數(shù)的數(shù)學(xué)模型并依此設(shè)計(jì)了穩(wěn)定流態(tài)（無瞬變流態(tài)）的控制模型，使水泵在約束條件下軟啟動(dòng)、軟停止、平滑調(diào)速、穩(wěn)態(tài)切換，甚至在水泵失控、故障、出水管路斷裂等極端狀態(tài)下均不會(huì)破壞管網(wǎng)的穩(wěn)定流態(tài)，因而不會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓。

2、首次提出了“管網(wǎng)安全保障和滿足管網(wǎng)約束條件”的功能要求。

       無負(fù)壓供水設(shè)備的推廣應(yīng)用過程至今已有八、九年之久，其間，自來水公司對該類設(shè)備準(zhǔn)入持有疑慮是影響產(chǎn)品推廣使用的重要原因。對管網(wǎng)串接水泵設(shè)備后的安全問題有疑慮是很自然的事情。因?yàn)樵瓉淼墓┧芫W(wǎng)服務(wù)界限是以水表前后清楚地劃分開來，水表后的水池、加壓設(shè)備屬用戶自行建設(shè)、使用和管理，管網(wǎng)將合格的水送入水池后則可無慮。而使用了管網(wǎng)直接加壓到戶方式后，沒有了水池的隔離帶，相當(dāng)于供水管網(wǎng)的擴(kuò)展和延長，設(shè)備及其出水管路的故障則會(huì)立即沖擊管網(wǎng)，影響管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行形態(tài)，產(chǎn)生顯性或隱性的系統(tǒng)不安定工況或出現(xiàn)局部影響大片地區(qū)用水的可能。對于這種顧慮，只提出“無負(fù)壓”一個(gè)定性的概念和對策是說服力不夠的。另外，取消了水池之后，用戶方的高峰水量都直接向管網(wǎng)索取，一旦水泵失控，也會(huì)以水泵最大流量取水，如果管網(wǎng)不能定量地約束這些狀態(tài)，是無法讓自來水企業(yè)放心的。

       JMT設(shè)備的管網(wǎng)安全保障對策是使設(shè)備保證不超過管網(wǎng)規(guī)定給用戶的取水流量或管網(wǎng)允許的供水壓力的約束條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，并在穩(wěn)定流態(tài)控制，防水錘措施及防止倒流閥門的設(shè)置等綜合對策下，使管網(wǎng)在設(shè)備運(yùn)行、水泵及電氣故障、突然停電、管網(wǎng)停水等可以預(yù)見的各種狀況下都能不受沖擊，不會(huì)使局部故障上逆而泱及全局。

3、水泵出水口恒壓或給水管路末端恒壓控制方式的研究，取得了創(chuàng)新的成果。

       水泵調(diào)速系統(tǒng)受工況的改變、負(fù)荷的波動(dòng)以及多擾動(dòng)、非線性等多因素的影響，很難建立起控制模型作精確的定量分析，一般將水泵水壓建立過程的數(shù)字模型作為一個(gè)純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，采用傳統(tǒng)的PI控制方式，往往動(dòng)態(tài)性能較差。而“無負(fù)壓給水系統(tǒng)”又增加了管網(wǎng)壓力擾動(dòng)的不確定擾動(dòng)因素，更加使動(dòng)態(tài)性的變壞。

       JMT設(shè)備采用FUZZY和PI兩種算法結(jié)合的復(fù)合控制方式，在大偏差范圍內(nèi)FUZZY控制，小偏差PI控制，在控制進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后采用PI控制以消除管網(wǎng)壓力波動(dòng)而導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。在控制參數(shù)的設(shè)定上，針對給水系統(tǒng)的特點(diǎn)，適當(dāng)放寬對穩(wěn)定精度和響應(yīng)速度的要求，在可以滿足用戶用水要求的前題下，最大限度地減少調(diào)節(jié)振蕩過程，實(shí)行平滑的壓力調(diào)節(jié)。

4、JMT設(shè)備齊全完善的自動(dòng)控制功能，體現(xiàn)了以人為本的設(shè)計(jì)思想，讓用戶在不用擔(dān)心、不用干預(yù)下連續(xù)用水。

JMT全自動(dòng)功能有:

A、“一撳式”開泵操作

B、24小時(shí)定時(shí)切換備用泵，以防死水滯留影響水質(zhì)。切換在用水低谷時(shí)進(jìn)行。

C、自來水管網(wǎng)斷水時(shí)自動(dòng)停泵，來水后自動(dòng)啟泵，不須人工干預(yù)。

D、工作水泵出水故障時(shí)切換到備用泵，減少停水時(shí)間。

E、變頻器故障后自動(dòng)復(fù)位后再啟動(dòng)備用泵。

F、電力系統(tǒng)停電時(shí)，來電后再啟動(dòng)。

5、在JMT設(shè)備的設(shè)計(jì)思想上，將它定位為“自來水管網(wǎng)上的一個(gè)終端設(shè)備”，為了實(shí)現(xiàn)自來水公司供水一體化管理和優(yōu)質(zhì)服務(wù)（供水安定、平穩(wěn)、水壓充足、水質(zhì)良好、節(jié)水節(jié)電為目標(biāo)）的供水體制作好技術(shù)準(zhǔn)備，推動(dòng)被稱為面向21世紀(jì)的管網(wǎng)直接供水系統(tǒng)方式的發(fā)展。為此，我們還設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集、積累、模型演算及向供水公司遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)的功能模塊，使設(shè)備能向總公司報(bào)告終端信息，彌補(bǔ)管網(wǎng)上壓力監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量的不足，這些數(shù)據(jù)可供“供水優(yōu)化調(diào)度”、“管網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)”、“管網(wǎng)漏水檢知”、“水量分析”等信息化管理工作活用。

六、推廣應(yīng)用前景、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

       由于城市建設(shè)不斷發(fā)展，農(nóng)村城鎮(zhèn)化發(fā)展趨勢迅猛，供水設(shè)備市場需求量巨大。本產(chǎn)品具有取代傳統(tǒng)產(chǎn)品，成為市場主流產(chǎn)品的明顯優(yōu)勢，所以推廣前景十分廣闊。

       本項(xiàng)目的推廣，能使居民放心的用上沒有水質(zhì)污染的新鮮潔凈的自來水，提高居民對政府提供的社會(huì)公共產(chǎn)品的滿意度。會(huì)產(chǎn)生良好的社會(huì)效益。

       房地產(chǎn)開發(fā)商，應(yīng)用該產(chǎn)品，可以減少占地和修建水池，節(jié)省投資，并可免去物業(yè)管理中清刷水池、消毒等麻煩的運(yùn)行管理工作和費(fèi)用。居民戶不但會(huì)獲得水質(zhì)好、水壓足、不斷水的優(yōu)質(zhì)供水服務(wù)而且由于充分利用了管網(wǎng)水頭，節(jié)電效益顯著。城鎮(zhèn)自來水公司，由于本產(chǎn)品的應(yīng)用，則完全可能做到供水到戶。改變過去“不管二次加壓的”傳統(tǒng)模式，延伸自來水企業(yè)的服務(wù)范圍，讓方便和實(shí)惠于民，并獲得企業(yè)擴(kuò)大服務(wù)而帶來的經(jīng)濟(jì)效益。