无负压供水方案设备设计Word下载.doc

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3.3实例计算 13

3.3.1工程概况 13

3.3.2计算最大出水量 14

3.3.3确定水表特性系数 14

3.3.4计算水泵扬程 15

3.3.5水泵的选型 15

3.3.6稳流罐容积的核算 15

3.3.7真空抑制器的设计 16

总结 17

参考文献 18

附录：

翻译译文及原文

无负压供水方案设备设计

摘要：

近年来，随着科技的进步，二次供水设备作为一种新兴的二次供水产品，在节能和环保方面有独特的优势，无负压供水系统将市政供水管网和用户合并成为一个整体，在充分利用市政管网余压的情况下，进行变频无负压供水，即节水节电又可以防止二次污染。

论文分析了无负压供水系统的组成、工作原理、工作流程、适用范围及其核心技术，即无负压技术。

并对一高层住宅楼进行了实际的数据计算，根据所计算的数据设计选择不同型号的水泵和确定稳流罐的容积，并对稳流罐、真空抑制器等主要结构进行设计。

关键词：

无负压、二次供水、节能、流量、扬程。

Nonegativepressurewaterequipmentdesignprogram

Abstract:

Inrecentyears,withadvancesintechnology,secondarywatersupplyequipmentasanewsecondarywatersupplyproducts,energysavingandenvironmentalprotectionhasuniqueadvantages,nonegativepressurewatersupplysystemwillbemunicipalwatersupplynetworkandusermergedintoawhole,inthecaseoffulluseoftheresidualpressureinthemunicipalpipenetwork,nonegativepressurefrequencyconversionwatersupply,watersavingthatcanalsopreventsecondarypollution.Thispaperanalyzesthecompositionofnon-negativepressurewatersupplysystem,workingprinciple,workflow,scopeanditscoretechnologies,namelynon-vacuumtechniques.Andahigh-riseresidentialbuildingwereactualdatacalculations,selectdifferenttypesofpumpsanddeterminethesteadyflowtankvolumecalculatedbasedondatadesign,andthemainstructureofthesteadyflowtank,vacuumsuppressorsdesign.

Keywords:

Nonegativepressure、Secondarywatersupply、Energy、Flow、Head

第一章绪论

1.1课题研究的目的和意义

水是自然界一切生命赖以生存的不可替代的物质，又是社会发展不可缺少的重要资源。

目前，世界上80个国家或占全球40%的人口严重缺水。

据预测，今后30年内全球55%以上的人口将面临水荒。

就我国而言，水资源不足尤其是人均占有量低已经成为我国的基本国情。

而近年来，随着经济的快速增长，城市化建设的不断加快，人口的不断增加，土地需求日益紧张，高层建筑层出不穷。

为满足建筑内部用水点对水量、水压和水质的要求，必须对自来水进行二次加压，因此，选择一种既能节水节能，又能保障供水安全的供水方式，这对降低建筑耗能、提高供水安全可靠性具有重要的意义。

建筑内部给水系统是将城镇供水管网或自备水源的水引入室内，经配水管送至生活、生产和消防用水设备，并满足用水点对水量、水压和水质要求的冷水供应系统。

从上世纪末开始，随着城市规模的不断扩大，城市建筑业得到突飞猛进的发展，10层和10层以上的住宅或建筑高度超过24米的其他民用建筑等高层建筑越来越多，使得城市的总用水量中，建筑内部用水占据的比例逐年增加，二次供水得到了更为广泛的应用。

目前，我国城市自来水管网的压力在非用水高峰时，一般在0.2MPa~0.35Mpa，此压力2值只能满足低层和多层建筑的供水需求，所以为了弥补市政供水管网压力的不足，高层建筑内部供水系统须使用二次加压设施以满足需求。

现有通常的供水方式都是将自来水放入蓄水池，然后由水泵将水从水池抽至屋顶的高位水箱，再由高位水箱向用户供水。

这种供水方式存在严重的能量浪费问题：

第一，将原本有压力能的水放到水池中变成了无压力能和势能的水，使得二次加压供水时需要更多的能量；

第二，由于用水量是随时间变化的，大多数水泵并未在高效区运行，水泵低效率运行会浪费更多的电能。

另外这种供水方式还存在严重的水质二次污染问题，据调查，各地二次供水主要水质指标都存在不同程度的超标。

例如，深圳市对274个二次供水贮水池水质进行调查，合格率更低，经水池后余氯合格率不大于30％，大体积水池的合格率只有10.6％。

兰州市目前使用二次供水的人口占全市总人口的近70%，全市二次供水单位约1200家，二次供水设施约1400多个。

2010年，通过对兰州市356家单位的二次供水水质的调查发现，水样检测合格率为68.35%，其中，游离性余氯合格率最低，仅为57.31%，其次是细菌总数和总大肠菌群，合格率均低于60%。

迄今为止，发现至少有10余种传染病可以通过水传播，如伤寒、痢疾、霍乱等，一些病毒引起的病症也可以通过水进行传播。

另外，水污染导致微量元素过多，容易引起身体器官的功能改变，严重的甚至会引起中毒。

例如，l998年湖南省地税局办公楼工作人员集体腹泻，后被证实问题就是出在二次供水的水质上，而且是由细菌总数超标以及大肠菌群所致。

长春市某生活小区不断有居民发生消化道疾病，经查，原来是屋顶水箱多年未清洗，水质污染所致。

由此可见，水质不合格直接影响到人的身体健康和生存的质量。

伴随着二次供水的发展，如何改善二次供水水质，如何提高二次供水安全性以及可靠性，已经成为当今社会急需解决的问题。

传统的二次供水方式，就水质方面来说，由于中间环节多了个蓄水池，使得供水二次污染的可能性大大增加。

从节能方面来说，水泵从零加压输送自来水，不能有效利用管网原有压力，并且水泵多在低效区运行，造成能量浪费。

从建设成本方面考虑，水池不仅占用大量的面积，还需要对其进行定期的清洗消毒处理，需要一定的成本和维护费。

为解决传统供水存在的这些问题，供水方式也不断地改进，新的供水方式应运而生。

相比于传统的二次供水方式，如今发展起来的这种供水方式彻底解决了以往二次供水中所遇到的问题，这种供水方式是对传统供水方式的一种革新。

此方式取消了水池和屋顶水箱，而是在市政管网和水泵之间增加一有压容器，从而实现水泵直接从市政管网抽水供给用户，同时采用变频泵组，根据用户端用水量自动调节水泵的转速，使水泵处于高效运行状态，达到节能、节水和可靠供水的目的，并且在此过程中，供水系统基本处于完全封闭的状态，水质不容易受到污染。

这种供水方式称为无负压供水方式，在国外很多地方得到很好的应用，但我国目前对该技术的研究还不够成熟，这种供水方式容易对市政管网的压力造成影响，可能会影响市政管网上其他用户的正常用水，故在现有条件下，国内许多城市中该供水方式不被轻易允许使用，限制条件也较多，因此有必要对此技术进行研究，以加快该方式的推广使用。

1.2二次供水发展历史

二次供水的发展先后经历了四个阶段，分别为水塔供水、楼顶水池供水、变频调速供水及无负压供水。

目前国内二次供水主要采用前三种形式，经过多年的运行使用，其中存在的问题令人担忧。

水塔供水是一种最为“古老”的供水方式，它的供水原理是：

自来水通过管网，把水转输到地面蓄水池，再通过水泵把水池里的水转输到一定高度的水塔中，最后通过管网把水输送至各个用水点。

这种设施最大的缺点是水塔占地面积大，成本高，而且水塔仅仅适用于比较低的建筑，而如今的建筑越来越高，现有水塔却不可能无限增高。

另外，供水水质受到严重的多次污染，这种供水方式既浪费了能量，又存在着很严重的水质二次污染。

水塔供水方式的诸多局限性，严重制约其发展，因此注定要被取代。

取代水塔供水方式的是设楼顶水箱的供水方式，如今这种方式应用非常广泛。

其供水原理是：

自来水管网将水转输到一个蓄水池将水储存起来，然后通过泵房，将水输送到楼顶水箱，楼顶水箱自上而下供水。

此方式利用水箱的可调节性，在用水低峰时将水箱蓄满水，在用水高峰期时供给用户使用，保证用水点的水量和水压的要求，与水塔供水相比较，楼顶水池相对不占地，构造简单，成本相对较低，但是这两种供水方式的污染环节几乎是一样的。

另外这种二次加压站安装使用的为工频泵，这种水泵在额定转速下运行，给系统提供一定的水量。

从泵的性能曲线可知，泵的运行在设计点时，其效率最高，随着泵的扬程偏离设计点（增加或减少），泵的效率均降低。

在泵的实际运行中，由于用水量及出水水压不断变化，则泵的扬程也不断变化，致使泵大部分时间在低效区运行。

当用水量降低，管网阻力下降时产生剩余扬程。

按离心泵的性能曲线特征，其扬程随着水泵出水量的减少而提高，所以水泵常处于扬程过剩状态下运行，造成不必要的能量浪费。

同时，由于管网压力增大，漏损也会增加，水的浪费也会加大。

楼顶水箱供水的缺点促进了变频技术的开发，1994年，变频技术的应用使得城市供水方式进入第三个阶段。

此方式中，自来水通过管网送至地下室蓄水池后，利用变频泵，直接将蓄水池的水，输送至各个用水点。

变频调速系统通过调节泵的转速来改变水泵的出水扬程，以满足不同条件时对水泵的性能要求，使水泵处于高效区运行，如此起到一4定的节能效果。

由于减少了楼顶水箱的中转环节，有效善供水水质，所以变频供水方式不仅节约能量，而且减少了自来水的污染。

以上三种供水方式都属于二次供水，也就是说，自来水从市政管网至用水点，中间都经过了中转水池，中转水池的存在不可避免增加了供水被污染的机会。

据调查发现，大多数供水系统疏于管理，水池、水箱并未按规定进行定期的清洗，二次消毒措施失效，系统本身存在缺陷，由此造成的水质二次污染已直接影响到供水的水安全，甚至有严重的水质污染事故发生，例如“自来水中竟有红虫”，“自来水有臭味”等。

以往二次供水存在的问题让第四个阶段的无负压给水方式给克服了，该方式具有节能、节水、节地等方面的显著优势，将成为二次供水的首选，成为二次供水行业未来的发展趋势。

但是作为一个新技术，此方式也存在新的问题，制约着它的推广和使用，这就促使我们对其进行彻底地研究，使此方式的使用更科学、更合理、更环保、更节能。

1.3国内外无负压供水研究现状

无负压供水方式，最早是由日本研发的，在日本被称为“直接给水系统”。

日本在20世纪80代中期，关于“直接给水方式”的必要性和可行性的探讨及技术研究就已经开始了，它不仅涉及技术层面，而且在法律和行政管理上；

市场需求和供水者的义务；

城市建筑物中高层化的供水模式等涉及社会系统层面上的讨论也展开。

在这样的背景下，日本厚生省在国家施策方针性文件“面向21世纪的供水系统改造和再构筑的长期目标”中将直接给水系统列入规划，并在1990年修订了给水设计规范，将管网末端服务压力由0.15MPa（1.5kgf/cm2）提高为0.2MPa（2kgf/cm2）；

国家提供研究基金在千叶县建立了一定规模的实验场；

组织了由学者、科研机构、供水企业及产品制造厂商参加的队伍；

筹措了运作资金，开展“直接给水”的研究，计划用3年时间完成“推进直接给水系统”的指原则和方针文件，为此还进行了大量的课题。

直到20世纪90年代末，智能型无负压供水方式在日本、美国、西欧等发达国家得到了普遍应用，并建立了一整套完善的系统标准体系。

我国曾在《城市供水条例》规定：

“禁止在城市管网公共供水管道上直接装泵抽水。

”因为直接抽水时，可能会使市政管网压力下降，影响管网上周边其他用户用水，严重时会导致管网破坏。

但随着城市供水条件的逐步完善，以及供水技术、自动化控制技术的发展，这种情况发生改变。

1997年，国内第一台无负压供水设备在山东面世。

2004年7月，北京市卫生局颁布政府文件，允许在生活用水方面使用无负压给水设备，所有进入北京市场的企业只要经过专家认证会的通过，产品就可以进入北京市场。

随着北京市场的解禁，天津等城市也先后出台了试用办法，两市自来水主管部门制定了相关的试点条件和准用要求。

为规范无负压设备生产与使用，中华人民共和国住房和城乡建设部于2008年12月份，批准《稳压补偿式无负压供水设备》（公告第189号）为城镇建设行业产品标准，编号CJ/T303-2008，于2009年6月1日起实施。

目前，针对无负压供水设备的标准已达9本之多，每个厂家都是基于自己的设计理念、技术标准进行产品研发、设计和生产，所以市场上各式各样的无负压设备良莠不齐。

国内无负压供水技术的起步较晚，相关的行业规范尚不完善，大多数城市也未制定出相关的供水条例，有的条例相应条款明显滞后于无负压供水技术的发展速度，从而制约着技术的大面积推广，因此要广泛使用该技术，须对无负压供水技术进行系统的分析研究。

在市场上各种无负压供水设备不断问世的同时，国内一些专家和学者也对无负压供水技术的应用进行分析研究。

李刚在2004年给水排水上发表的《无负压管网增压设备应用探讨》，详细介绍了设备的系统组成和工作原理，并对不同工况进行了分析，指出无负压管网增压设备应用于二次供水，可确保供水水质，节省初投资和运行费用。

马戌环在2005年给水排水上发表的《无负压给水设备及管网准用的技术条件》，详细介绍和分析无负压供水设备接入管网的技术条件。

唐小猛在2006年广州大学学报（自然科学版）发表的《无负压供水设备技术分析》，对无负压供水技术进行了分析，指出了设计或使用不合理时，可能出现影响周围用户的水压、降低用水可靠性、水泵效率偏低、旁通管路水质下降等问题，并提出了正确使用无负压供水技术的工程措施。

李祥华在2010年给水排水发表的《管网叠压（无负压）供水技术在实际应用中存在的问题及解决办法》，介绍了该技术的工作原理，对存在的问题进行了探讨，比如现有供水条件下的节能效果、缺乏供水管理条例和没有严格统一的设备生产标准等问题，并提出了相应的解决办法。

李斌等在2010年给水排水发表的《管网叠压（无负压）供水系统水泵能耗对比研究》，分析了无负压供水系统中水泵运行工况点的变化，并对恒压供水和变压供水两种方式下水泵的能耗进行分析对比，研究了市政管网压力和用户用水量变化对水泵运行的影响。

1.4传统二次供水方式存在的问题

总结以往的供水经验和实际工程，二次供水存在以下几个问题：

1．投资大。

传统二次供水都要修建水池，有的还要设置水箱，这就需要一定的成本。

修建水池和水箱需占用一定的建筑面积，在如今土地价格高涨的今天，这又是个投资负担。

此外，水池和水箱一般都有一些水质处理设施，从而加大了设备总投资，而且使用中要定期清洗，也增加了日常开支。

2．水质二次污染严重。

据调查，大部分水池和水箱由于管理不善，和其结构本身的原因，里面的贮水水质没有符合饮用水标准，水质污染相当严重，这将直接危害到人们的身体健康，因此饮用水卫生问题已成为急需解决的大问题。

3．能量浪费严重。

传统的二次供水是将自来水放入水池中，再从水池抽水至用水点，但是市政管网中的水具有一定的能量，也就是说这部分能量没有得到充分利用。

4．水资源浪费严重。

大多数水池采用混凝土结构，因此存在不同程度的渗水、跑水、漏水、蒸发等问题，造成水资源浪费。

此外，水池、水箱要进行定期的清洗，这就又成一部分浪费。

1.5本课题的研究内容

无负压供水设备由智能型变频控制柜、稳流罐、真空抑制器、水泵机组、仪表阀门及管路、基座等组成。

本次课题研究的主要内容是供水方案的设备设计，其中包括稳流罐的设计，真空抑制器的设计，水泵的选型已经设备的整体结构设计。

1.6本课题预计达到的目标

能够顺利完成课题所需要完成的任务，设备达到无水池，不用消毒，体积小，占地少，安装方便的要求。

设备应具有无负压供水能力，整套设备全封闭无污染。

1.7完成课题的方案和主要措施

1、同老师讨论合适的方案和机体结构，讨论其可行性。

2、在图书馆和网上查找相关资料。

3、从网上实体照片中形成设备的基本模型。

4、按照老师布置的任务按时完成计划，画出装配图及主要零件图。

5、主要参数的计算和设备的选型。

6、设计说明书的编写。

7、后期工作。

第二章无负压供水方案简介

2.1方案的工作原理

1．市政管网自来水进入调节罐，罐内的空气从负压消除器内排出，待水充满后，负压消除器自动关闭。

当市政管网的压力满足用水点的要求时，即管网压力大于或等于设定压力时，设备通过旁通阀门直接向用户供水。

2．当市政供水管网压力不能满足用水点要求时，供水系统利用压力传感器（或压力控制器、电接点压表）发出启泵信号，水泵进入运行状态，向用户持续供水。

3．在用水高峰期，供水管网压力下降，当降至低于设定压力时，压力传感器发信号给控制柜，升高变频器频率，使水泵机组转速增加，出水量和压力也随之上升，直至用水点实际压力等于设定压力。

4．在用水低谷期，供水管网压力上升，当高于设定压力时，压力传感器发信号给控制柜，降低变频器频率，使水泵机组转速降低，直至供水管网实际压力等于设定压力。

若用水量变小甚至无流量时，水泵处于空转状态，则水泵机组自动停止工作，自来水通过旁通管直接供给用户。

5．若市政管网流量大于或等于水泵的进水量，负压消除器使得稳流补偿器与外界隔绝，系统正常供水。

若市政管网流量小于水泵流量时，空气由负压消除器进入稳流补偿器，消除了市政管网的负压，保证市政管网的正常供水，同时罐内的水作为补充水源仍正常供水，待用水高峰期过后，系统恢复正常状态。

6．当市政供水管网停水时，利用稳流补偿器内的部分存水，水泵仍可继续工作一段时间，当稳流补偿器内水位下降至一定水位时，自动停机以保护水泵；

来水后随着水位的上升而自动开机。

7．停电时，水泵不工作，自来水通过旁通管直接到达低层用户，保证低层部分用户的用水，来电时水泵机组自动开机，恢复所有用户的正常供水。

2.2方案的工作流程

无负压供水技术综合利用负压处理技术、变频调速技术和全自动智能化控制技术，实现从市政管网直接加压向用户持续和稳定地供水，达到用户用水要求，其工作流程如图2-2所示：

图2-2无负压供水方案工作流程图

2.3方案的适应范围

无负压供水系统适用于市政供水管网压力不足地区的二次加压供水，包括：

新建、改建或扩建的住宅小区、办公楼、宾馆、学校等民用建筑的生活给水工程，工矿企业的生活、生产用水，各种循环用水系统，原有传统二次供水的改造工程，低层供水压力不能满足要求的消防用水等。

无负压供水系统不适用的场所：

市政管网可利用水头过低的区域；

供水可靠性要求高的地区；

市政管网供水流量和压力波动大的区域；

用户用水量非常集中的区域；

可能会对公共供水管网造成有毒污染的相关行业（医院、医药、化工、核工业等）。

2.4方案的核心技术——无负压技术

无负压供水技术中所提到的无负压中负压的概念，并非物理学所指负压概念，即低于常压（通常为一个大气压）的压力状态。

这里的负压是在此基础上的演绎而来的说法，是指以各地区规定的最低市政管网服务压力值为界限，低于这一压力即为负压。

无负压供水系统必须要保证直接抽水时市政管网的压力不低于最低服务压力值，同时由此产生的压降也要控制在一定的范围内，符合当地管理部门的有关规定。

负压消除器，也叫真空抑制器，是该设备的核心，它和稳流补偿器联合工作以消除管网中的负压，从而避免对周围用户的影响，保证市政管网与设备安全可靠地供水。

其原理如下：

它根据稳流补偿器内的水量、水压、液位、真空度等信号，进行实时反馈、处理和控制，在满水时关闭阀门，在容器内产生负压会水位下降时打开阀门，从而调节稳流补偿器吸气和排气，保证内部压力平衡，同时消除容器内的负压。

该装置的控制方式主要有水力机械式、电动式（利用电接点真空表或容器内水位接点控制电磁阀的启闭）。

设计中采用双重措施防止负压的产生，一是利用负压消除器，当市政管网供水量小于水泵出水量时自动开启，通过吸气来调节补偿器内的压力，以避免市政管网产生负压；

二是在设备连接市政管网的管道上设置压力传感器，并由微机进行实时检测，当压力值低至设定压力时，微机通过变频器降低电机转速，从而减少水泵吸水量，使设备进水量低于市政管网供水量，以此可以有效防止水泵抽水时对市政管网产生负压影响。

第三章设备的参数计算及设计

3.1稳流罐允许进水量的计算

由稳流罐在无负压供水设备中起的作用分析得出，稳流罐的容积大小直接取决于其出水量和进水量。

在进水量小于出水量时，稳流罐起到调节系统的瞬时流量变化的作用；

在进水量大于出水量时，稳流罐仅起到稳流和全封闭的作用，无需起到调节流量的作用。

所以，在进水量小于出水量时应核算稳流罐的储备水容积，即调节容积，以保证储备水在瞬时能够及时补充所需的差额部分，确保整个系统正常，稳定运行。

而稳流罐调节容积是根据其进水量和出水量随时间变化曲线计算确定的。

因为稳流罐的进水量和出水量是瞬时变化，其进水量随着市政自来水管网或其它有压管网的水压及出水量变化而时刻变化，并与接管处的材料，管长，管径等因素有关。

因此，稳流罐的进水量计算是比较复杂的，而在实际计算过程中，往往只需确定系统最不利工况的允许进水量，即用水峰值期的市政自来水管网或其它有压管网最低供水压力的进水量，再将其允许进水量与最大出水量进行比较，从而计算出稳流罐的调节容积。

图3-1稳流罐允许进水量的水力计算

如图3-1所示，在市政自来水管网或其