居民小区二次供水电气管理系统的优化设计研究

第一章 绪 论

1.1 课题背景及意义
进入 21 世纪以来，随着人口的迅速膨胀和经济的发展，城市用地越来越紧张，房地产开发商在投资住宅小区时，越来越倾向于高层建筑，由于每个城市的市政管网压力有限，市政管网供水最高也只能到七八楼，甚至有的住宅小区处于管网末端一楼就需要进行二次加压供水，高层建筑就需经过二次加压设备供水。原有的自来水市政管网在用水高峰期时普遍存在着压力不足，这种现象在高层建筑更加普遍，给居民的生活带来了极大的不便。究其原因，主要是受技术落后的二次供水设备的限制，居民在用水高峰期时经常出现供水压力不足，此时供水量远低于需求量，无法保证供水质量;而在用水低峰期，水的供给量经常高于需求量，此时水压迅速升高，不仅造成巨大的电能浪费，而且长时间持续下去有可能造成供水管道破裂甚至导致供水设备的损坏。目前，全国仅有几个城市的二次供水归属供水企业管理，绝大部分城市的二次供水还是由各小区的物管公司管理。
由于各物管公司管理能力的良莠不齐，导致有的小区二次加压设施管理不到位，居住高层用户的安全用水、水质等各方面无法得到很好的保障。为了使居民二次供水得到更有力的保障，同时提高企业的管理管理能力，越来越多的供水企业开始介入这块工作。珠海水务集团于 2007 年初开始全面接管住宅小区二次供水的管理工作，在这方面的工作走在了全国的最前列，经过四年的摸索和经验积累，珠海水务集团在二次供水管理工作方面日益走向了完善。目前，全国仅有几个城市全面接管二次加压设备，部分城市采取局部管或部分工作参与，绝大部分城市的二次加压设备由该小区的物管公司管理，随着经济的发展和社会的进步，日益增长的市民生活品质需求对服务质量提出了更高的标准，二次供水越来越受到关注。
一、二次加压设备的供水安全问题，降低设备故障率，保持供水持续性；二、二次加压设备的压力问题，保持稳定的压力提高用水的质量；三；二次加压设备的节能性，这直接关系到业主的利益。节能低碳目前是一个世界性的课题，内容丰富多彩，意义也极为深远，在二次加压供水中，水泵机组是二次供水的直接能源消耗者，合理的控制系统和设备选型直接影响节能的效果，传统的变频恒压控制方式使用较为普遍，但节能效果不好，研究新的电气控制方式具有深远的意义。

1.2 二次供水管理的现状及其发展趋势
1.2.1 二次供水管理的现状
目前，全国使用最多的二次加压设备是变频恒压的控制方式，住宅小区二次供水设施建设安装前是由房地产开发商委托设计院设计，开发商向设备供应商购买和安装，最后转交小区物业管理，业主和供水企业完全不参与设施的设计及安装工作，所以除了设计院和设备生产商对二次供水设施有所研究外，其他人很少对这方面进行研究，然而，无论是设计院还是设备生产商，他们都不是设施安装后的使用者和管理者，所以他们的设计值往往只是空有理论，并未结合各个小区的实际情况对设施进行合理的设备选型和电气设计，导致了日后设施的使用出现各种各样的问题，如设备选型不合理导致设备的电耗过高；电气控制的不合理导致水压不稳或经常性停水等等。目前，大多研究者是对各类设备的性能或节能等方面进行研究，例如变频恒压设备的性能、叠压供水设备的优缺点等等。由于设计、建设安装者与日后使用管理者不一致，所以很少有人对二次供水进行系统分析和研究，但随着越来越多供水企业介入这块工作，也有越来越多的人关注这方面的工作。
1.2.2 二次供水管理的发展过程及趋势
上世纪 90 年代中，全国各地的高层如雨后春笋拔地而起，当时使用的二次供水方式主要是机组工频楼顶水池供水方式，也就是在楼下设置水池水泵机组，市政管网水进入水池后由水泵机组抽到楼顶水池，再从楼顶水池设置出水管，自来水从楼顶水池自由落体进入各家各户。传统的城市二次供水方式主要有[1]:
(1)恒速泵直接汲水方式这种供水方式分两种情况:一种是市政管网的水首先流入蓄水池，然后水泵直接从蓄水池中抽水加压送往用户的方式;另一种是无蓄水池，水泵直接从市政管网中抽水的叠压供水方式，很多情况下没有无负压稳流罐等保护设施，这种供水方式会严重影响市政供水管网的供水压力稳定，甚至会造成管道破裂。同时恒速泵供水方式，水泵全天不停运转，有的甚至夜间也不间断运行，电能浪费严重。恒速泵汲水供水方式结构简单、造价较低，但是能源利用率低、并且有可能对供水管道造成损坏、水压波动较大，因此供水质量比较差。
(2)恒速泵和高位水塔相结合的供水方式这种供水方式是由离心泵先向高位水塔汲水，再由高位水塔向低位用户供水。为了保证正常供水，水塔的最低水位压力要略高于供水所需压力。水塔注满后水泵停止运转，当水塔水位低于某一设定位置时再次启动水泵向水塔抽水，水泵处于断续工作状态。这种供水方式使水泵处于高效运行区，一直工作在额定扬程和额定流量下，这显然比前一种供水方式节能，供水压力也相对比较稳定。
 
   1.3 珠海市住宅小区二次供水的几种供水方式及其工作原理 .........13-19
    1.4 本文的主要工作 .....................19-20
第二章 变频恒压供水系统的特点及实现 .....................20-26
    2.1 变频恒压供水的结构 .....................20-22
    2.2 变频调速恒压供水的工作原理 .....................22-24 
    2.3 变频恒压供水的优点 .....................24-25
    2.4 本章小结 .....................25-26
第三章 叠压供水的原理 .....................26-30
    3.1 叠压供水的系统原理 .....................26-27
    3.2 叠压供水的工作原理及防止负压原理 .....................27-28
    3.3 叠压供水的优点及使用需注意的问题..................... 28-29
    3.4 本章小结 .....................29-30
第四章 箱式叠压供水 .....................30-39
    4.1 箱式叠压供水的系统原理图 .....................30
    4.2 箱式叠压供水方式的优点 .....................30-31
    4.3 箱式叠压供水方式的工作原理 .....................31-37 
    4.4 两种方案的比较 .....................37-38
    4.5 本章小结 .....................38-39
第五章 二次供水控制系统的优化设计 .....................39-62
    5.1 概述 .....................39-40
    5.2 建立原始数据 .....................40
    5.3 计算设备容量..................... 40-45
    5.4 二次加压供水各区域的系统图 .....................45-46
    5.5 二次控制系统的设计 .....................46-61 
    5.6 本章小结..................... 61-62

结论与展望

本文介绍了传统的二次供水设备，提出新型的二次供水设备，并以珠海为背景，详细设计一个住宅小区的二次供水设备、二次控制系统等 。论文的主要工作包括：第一，介绍珠海市现有的住宅小区二次供水的现状，并简略描述国内各个城市对二次供水管理的方式模式及国内对二次供水的相关研究方向。第二，介绍变频恒压供水的结构、系统原理图。分析变频调速恒压供水的工作原理、节能原理。总结变频恒压供水的优点。第三，介绍叠压供水的系统原理、及工作原理、防止负压的原理。总结叠压供水的优点及使用中需要注意的问题。第四，对比分析变频恒压供水和叠压供水的优缺点，提出二次控制系统优化后的箱式叠压供水方式并介绍其优点。设计两种箱式叠压供水方案，介绍两种方案的系统原理图、工作原理，并分析对比。第五，以珠海市二次供水现状为背景，采用一个中型住宅小区规模做原始数据，计算设备容量，设计系统图，优化二次控制系统设计。箱式叠压供水将叠压供水和变频恒压有地下水池两种供水方式相结合，对各自的优缺点取长补短，通过优化控制系统达到节能的效果又保证不影响管网的压力，这样的新型设备不易受到地点的限制，还达到节能的效果，但控制系统比传统方式较为复杂。
由于该技术是新型技术，在市场上刚被认可，没有详细的数据依据，今后需要继续的工作主要有以下几个方面：（1）珠海市现有几个小区刚刚使用该技术，运行一段时间后，收集这些数据，详细分析该设备的节能效果。（2）研究各个小区运行后的数据，进一步分析使用该技术的关键点，如设备选型、控制系统的参数设置、水池容积等。

参考文献

[1] 孔祥伟. 城市二次供水智能控制系统的研究与开发[J]. 中国电力，2000，33(9)：78-81
[2] 陈继伟.基于智能控制的生产/生活供水系统设.〔硕士学位论文〕.武汉:武汉理工大学.2007
[3] 张燕宾.变频调速应用实践.北京:机械工业出版社.2001.12 一 55
[4] 刘小春.恒压供水系统控制及组态监控系统设计:中南大学.2008
[5] 范洪艳等. 小区变频恒压供水控制系统. 电气时代，2011 年第 4 期
[6] 丁莉. 变频恒压供水控制系统研究，天津大学：2007
[7] 王岚，居民小区变频恒压供水控制系统设计与实现：南京理工大学，2008
[8] 潘文通, 张 斌 ,孙建民 . 直接管网叠压供水设备的工作原理与应用 [J]. 给水排水,2003,29(12):70-72.
[9] 杨虹，叠压供水方式在供水管网中的应用，安徽建筑工业学院学报(自然科学版)，第 14 卷第 5 期 2006 年 10 月
[10] 《建筑给排水设计规范》 GB50015—2003