一种箱式无负压供水系统及其控制优化方法与流程

本发明涉及二次供水的技术领域，尤其涉及一种箱式无负压供水系统以及该系统的控制优化方法。

背景技术：

目前楼宇二次供水的供水模式根据抽吸水源来分主要分为：水箱变频供水、市政管网变频供水、抽吸市政管网(低谷)+水箱(高峰)变频供水、管网式无负压变频供水和箱式无负压变频供水。

为避免罐式无负压变频供水的缺点，提高供水的可靠性发展起来的箱式无负压变频供水，该供水模式是在罐式无负压模式的基础上增加水箱，在市政压力不足或缺水时抽吸水箱，保证供水系统的稳定性。

箱式无负压变频供水相比于其他的供水模式供水的稳定性和可靠性大大提高，同时又兼顾叠压节能，水箱容积小，节约投资，后期清洗维护简单的优点。但是缺少确保稳定性的基础上能耗最低，水箱换水率高等控制系统的相应优化控制。

技术实现要素：

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有箱式无负压供水存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明一个目的是提供一种箱式无负压供水系统，用于对楼宇的二次稳定安全供水。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种箱式无负压供水系统，包括输送管道，所述输送管道还包括与其两端连通的市政管道和供水用户管道；供水箱，通过补水管道和抽水管道并入所述输送管道，所述补水管道与所述市政管道间设置市政进水阀门；且所述补水管道上还设置水箱进水阀门；控制器，与所述水箱进水阀门连接并控制其关合。

作为本发明所述的箱式无负压供水系统的一种优选方案，其中：还包括增压管道和储压管道以及计量组件；所述增压管道接入所述抽水管道中，且设置水泵；所述储压管道与所述增压管道并联，其上设置气压罐；所述计量组件包括设置于所述抽水管道和水泵后的流量计以及设置于所述市政进水阀门、所述流量计后的压力传感器和压力表。

作为本发明所述的箱式无负压供水系统的一种优选方案，其中：所述供水箱还包括与箱体连接的浮球阀、透气管道和溢排污管道，以设置于箱体内的液位计。

本发明另一个目的是提供一种控制优化方法，包括上述箱式无负压供水系统，对该供水系统进行优化控制。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：还包括以下步骤，

以供水系统的出口流量数据，确定高峰流量的阈值和高峰进入时刻；

设定水箱进水量和高峰切换时间；

根据已设定高峰切换时间，控制并调节水箱进水阀门的开度，对水箱进行补水至设定水箱进水量；

抽吸对象的切换控制，包括抽吸水箱和抽吸市政管网间的切换。

作为本发明所述的控制优化方法的一种优选方案，其中：所述确定高峰流量的阈值和高峰进入时刻还包括以下步骤；

设定t1、t2；t3、t4；t5、t6分别为三个高峰的起点和终点时刻，c为高峰流量的阈值；

设总用水量为s，高峰用水量v和总用量s比值的为k，则k＝v/s，k为一定值；

根据当日的流量曲线，在k值一定的前提下通过优化逼近法求出高峰流量的阈值c，并同时确定各个高峰的进、出时刻。

作为本发明所述的控制优化方法的一种优选方案，其中：所述优化逼近法包括以下步骤：

第一步：取c0＝max(q1，q2)，其中q1为早高峰和中高峰之间的实时流量的最小值，q2为中高峰和晚高峰之间的实时流量的最小值；

第二步：以c0为纵坐标划一水平直线，与早高峰、中高峰和晚高峰的交点对应横坐标t1(0)、t2(0)；t3(0)、t4(0)；t5(0)、t6(0)；

第三步：计算出高峰用水量v(0)，k(0)＝v(0)/s；

第四步：如果k(0)-k≤β，β为允许偏差，则跳转到第八步，否则令c＝c0+0.005；

第五步：以c为纵坐标划一水平直线，与早高峰、中高峰和晚高峰的交点对应横坐标t1、t2；t3、t4；t5、t6；

第六步：计算出高峰用水量v，k＝v/s；

第七步：如果k＝k，则第八步，否则令c＝c+0.01，返回到第五步；

第八步：结束。

作为本发明所述的控制优化方法的一种优选方案，其中：所述设定水箱进水量包括按三个高峰进行三次补水量设定；

早高峰后水箱补水量＝上一日中高峰的用水量*1.2-早高峰后水箱剩余量；

中高峰后水箱补水量＝上一日晚高峰的用水量*1.2-中高峰后水箱剩余量；

晚高峰后水箱补水量＝上一日早高峰的用水量*1.2-晚高峰后水箱剩余量。

作为本发明所述的控制优化方法的一种优选方案，其中：所述设定高峰切换时间包括，

确定上一日高峰流量阈值时，即对应高峰流量的起始时刻和终止时刻；

本日的高峰切换时间在上一日的高峰起始时刻和终止时刻的基础上放大一段时间，分别为[t1-δh，t2+δh]，[t3-δh，t4+δh]，[t5-δh，t6+δh]。

作为本发明所述的控制优化方法的一种优选方案，其中：所述水箱补水至设定水箱进水量，包括以下步骤：

高峰时刻结束，且市政管网压力高于设定值；

开启控制并调节水箱进水阀门开度，保证市政压力大于设定值；

当水箱补水量≥上一日中高峰的用水量*1.2-早高峰后水箱剩余量时；

关闭水箱进水电动阀。

作为本发明所述的控制优化方法的一种优选方案，其中：所述抽吸对象的切换控制包括正常情况下，按确定的高峰和低谷时段切换抽吸水箱水和市政管网水；

但若是在高峰时段，市政供水压力正常且水箱无水，则必须切换到抽吸市政管网；

在低谷时段，市政管网无水而水箱有水，则必须切换到抽吸水箱；

若两者都无水，则停泵。

本发明的有益效果：一是尽可能多的时间使用直抽管网模式以保证系统能耗最低；二是控制水箱进水量，使其下一高峰段尽可能多的把水箱水用完，减少水箱水的存储时间，保证水箱水的水质。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明第一个实施例所述箱式无负压供水系统的整体原理结构示意图；

图2为本发明第一个实施例所述箱式无负压供水系统包括增加管道的整体结构示意图；

图3为本发明第二个实施例所述控制优化方法中日用水示意图；

图4为本发明第二个实施例所述控制优化方法中水箱进水量控制流程示意图；

图5为本发明第二个实施例所述控制优化方法中抽吸水箱与抽吸市政控制流程示意图；

图6为本发明控制器调节水箱进水阀门的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1～2的示意，为本实例提出一种箱式无负压供水系统的整体结构示意图，该系统包括输送管道100、供水箱200、控制器300、增压管道400、储压管道500以及计量组件600。具体的，输送管道100为水输送至用户的主要管道，包括与其两端连通的市政管道101和供水用户管道102；市政管道101与输送管道100的起始端连通，用于市政管网水进入输送管道100中，供水用户管道102与输送管道100的出口端连通，用于将市政管网水或供水箱200中的水输送至用户端使用。为了实现尽可能多的时间使用直抽管网模式以保证系统能耗最低，二是控制水箱进水量，使其下一高峰段尽可能多的把水箱水用完，减少水箱水的存储时间，保证水箱水的水质。本实施例中将供水箱200接入输送管道100中，通过补水管道201和抽水管道202并入输送管道100，并在补水管道201与市政管道101间设置市政进水阀门103，该市政进水阀门103能够控制市政管网水进入输送管道100，以及控制输送管道100内水进入补水管道201，且市政进水阀门103包括上、下游设置的闸阀和电动阀，闸阀用于调节管道开度调节流量压力；电动阀简单地说就是用电动执行器控制阀门，从而实现阀门的开和关，其可分为上下两部分，上半部分为电动执行器，下半部分为阀门。控制器300与电动阀连接进行电动控制，控制器是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，能够发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个系统控制的操作。进一步的，本实施例补水管道201上还设置水箱进水阀门203，同样的，该水箱进水阀门203包括闸阀和电动阀，通过与控制器300连接，对市政进水阀门103和水箱进水阀门203进行相对控制，以及阀门补水、抽水间的切换。当然参照图2中，不难发现，位于补水管道201和抽水管道202之间还设置电动阀并与控制器300连接，在控制市政进水阀门103和水箱进水阀门203的同时，控制此处的电动阀防止补水回流至水箱。

其具体控制过程：在高峰供水期间，关闭市政电动阀，执行抽吸水箱；在低谷供水期间，打开市政进水闸阀门，水泵和水箱之间设置的倒流截止阀自动关闭，此时执行抽吸市政管网水。

对于水箱进水：由于水箱进水都设在低谷时间，水泵抽吸的市政官网水，此刻如果开度过大可能会导致市政进水压力过低，造成增压系统不稳定，因此水箱进水一定要保证市政进水压力不低于设定值，从而保证二次增压供水的稳定性，也就是说可以通过压力检测实现水箱进水和市政进水压力不低于设定值，原理可参照图6的示意。通过控制器300调节水箱进水阀门203调节阀门开度，不难理解的是，此处开度的可以指的是闸阀的开度也可以是电动阀的开度，因此能够使得e＝r-p大于某一设定值。

进一步的，本实施例中该箱式无负压供水系统还包括增压管道400和储压管道500以及计量组件600；增压管道400接入抽水管道202中，该增压管道400上设置水泵用于输送时的管道增加，解决压力压力过低的问题；储压管道500与增压管道400并联，其上设置气压罐，气压罐用于管道的气压存储，保证管道压力的稳定。计量组件600包括设置于抽水管道202和水泵后的流量计601以及设置于市政进水阀门103、流量计后的压力传感器602和压力表603。压力表603与压力传感器602连接且用于显示管道压力，能够获得系统的管道压力以及压力参数，保证系统正常运行。

进一步的，供水箱200还包括与箱体连接的浮球阀204、透气管道205和溢排污管道206，以设置于箱体内的液位计207，浮球阀204与补水管道201连接，补水过程中，当水箱内水位上升，浮球受到浮力上升慢慢至关闭浮球阀门，因此将补水管道201关闭，透气管道205设置于水箱的顶部，与外接大气压连通维持水箱气压平衡。溢排污管道206包括溢流管和排污管，溢流管设置于水箱到达的一定液位处，防止水位继续上升对浮球阀204造成损坏。液位计207设置于水箱内，在容器中液体介质的高低叫做液位，测量液位的仪表叫液位计；液位计为物位仪表的一种，且液位计的类型有音叉振动式、磁浮式、压力式、超声波、声呐波，磁翻板、雷达等。用于测试水箱水位，包括液位传感器与控制骑300连接。

实施例2

参照图3～5的示意，本实施例中提出一种控制优化方法，包括上述的箱式无负压供水系统，且用于该供水系统的优化控制。目前对于城市二次供水主要有如下以下几种方式：

水箱变频供水：抽吸水箱变频供水系统供水稳定，在市政断水的情况下，能够保证持续供水一段时间。但是水箱供水由于水箱长时间储水，水箱清洗不及时等会滋生细菌等，甚至其它原因造成水质污染，危害用户，此外由于市政水直接排到水箱中，浪费能耗。

市政管网变频供水：抽吸市政管网变频供水系统相比于水箱供水优势在于水质质量能够得到保证，而且二次增压是叠在市政管网压力之上，比较节能。但是在市政供水断水时，不能持续供水，有时在高峰用水期间会影响低区直供水用户供水，这种供水模式对自来水公司水厂或者区域增压泵站提出了更高的要求。

抽吸市政管网+水箱变频供水：抽吸市政管网+水箱变频供水系统是吸收前2种供水模式的优点的基础上产生的一种新的供水模式，用水高峰期间使用水箱供水，低谷期间使用市政管网供水。优点是供水系统的可靠性大大提高，但是水箱带来的水质控制仍然无法解决，此外泵房的建设成本也大大提高。

罐式无负压变频供水：罐式无负压变频供水是在直抽市政管网变频供水的基础之上，在市政供水管路与水泵之间增加了稳压罐，在市政进水压力波动时减少调节水泵的频率，提高了供水稳定性，但是市政停水，二次增压也停止供水。

箱式无负压变频供水：为避免罐式无负压变频供水的缺点，提高供水的可靠性发展起来的箱式无负压变频供水，该供水模式是在罐式无负压模式的基础上增加水箱，在市政压力不足或缺水时抽吸水箱，保证供水系统的稳定性。

虽然现有箱式无负压变频供水相比于其他的供水模式供水的稳定性和可靠性大大提高，同时又兼顾叠压节能，水箱容积小，节约投资，后期清洗维护简单的优点。但是存在何时抽吸市政、又何时抽吸水箱、水箱进水量如何控制才能保证下一高峰时段把水用完、抽吸市政切换抽吸水箱时怎样避免短时间的停水、在确保稳定性的基础上如何能耗最低、以及水箱换水率如何提高的问题；因此需要优化控制。

因此本申请基于上述箱式无负压供水系统提出一种控制优化方法，能够尽可能多的时间抽吸市政管网，通过叠压供水最大限度节约运行能耗；抽吸市政管网会增加自来水厂或区域增压泵站的负荷，甚至会影响二次泵房的周边直供水用户的用水，这样在高峰供水期间抽吸水箱，在低谷期间抽吸市政管网。为保证水箱水质，减少水在水箱的滞留时间，对水箱的进水量控制使得水箱水滞留时间短，以及确定高峰供水时段以减少供水系统的运行能耗。具体的，还包括以下步骤：

(1)以供水系统的出口流量数据，确定高峰流量的阈值和高峰进入时刻；由于二次供水的用水是有一定周期，因此供水系统的出口流量数据以用水周期作为统计，本实施例中以日为对象周期，即日用水的出口流量，该出口流量可由机组的出口流量计进行统计并与对应实时时刻。

那么参照图3的示意，为绘制的日用水的流量曲线示意图，不难发现，一天当中有3个用水高峰，分别是早高峰、中高峰和晚高峰，每个高峰的用水量和时长都是不同的。t1、t2；t3、t4；t5、t6；分别为三个高峰的起点和终点时刻，c为高峰流量的阈值，阴影部分为该用水日的高峰用水量。

由于二次供水的用水量与住户的入住率相关，随着入住率的增大，其用水总量及高峰用水量都增加，因此高峰流量的阈值是随着住户的入住率增加也相应增加。设总用水量为s，高峰用水量v和总用量比值为k，则k＝v/s，k为一定值。在k值一定的前提下可以通过优化逼近的方法求出高峰流量的阈值c，同时也可以确定各个高峰的进、出时刻。

具体的优化逼近的方法包括如下步骤：

第一步：取c0＝max(q1，q2)，其中q1为早高峰和中高峰之间的实时流量的最小值，q2为中高峰和晚高峰之间的实时流量的最小值；

第二步：以c0为纵坐标划一水平直线，与早高峰、中高峰和晚高峰的交点对应横坐标t1(0)、t2(0)；t3(0)、t4(0)；t5(0)、t6(0)；

第三步：计算出高峰用水量v(0)，k(0)＝v(0)/s；

第四步：如果k(0)-k≤β，β为允许偏差，则跳转到第八步，否则令c＝c0+0.005；

第五步：以c为纵坐标划一水平直线，与早高峰、中高峰和晚高峰的交点对应横坐标t1、t2；t3、t4；t5、t6；

第六步：计算出高峰用水量v，k＝v/s；

第七步：如果k＝k，则第八步，否则令c＝c+0.01，返回到第五步；

第八步：结束。

因此本步骤能够根据采集的数据分析，确定高峰流量的阈值和高峰进入时刻。将阈值c与高峰进入时刻记录。

(2)设定水箱进水量和高峰切换时间；上述步骤(1)确定阈值c与高峰进入时刻记录，为减少水在水箱的滞留时间，必须精确控制水箱的进水量。由于每天有3个高峰，因此水箱进水也按三次补水。高峰供水结束后，就需要对水箱补水以保证下一次高峰用水。补水量计算如下所示：

早高峰后水箱补水量＝上一日中高峰的用水量*1.2-早高峰后水箱剩余量

中高峰后水箱补水量＝上一日晚高峰的用水量*1.2-中高峰后水箱剩余量

晚高峰后水箱补水量＝上一日早高峰的用水量*1.2-晚高峰后水箱剩余量

为保证系统可靠，水箱储水量放有一定的安全系数，这里按上一日高峰供水量的1.2倍，也可以根据实际情况调整。

(3)根据已设定高峰切换时间，控制并调节水箱进水阀门203的开度，对水箱进行补水至设定水箱进水量；

在求上一日高峰流量阈值时，同时上一日的高峰流量的起始时刻和终止时刻，为安全起见，本日的高峰切换时间在上一日的高峰起始时刻和终止时刻的基础上放大一段时间，该时间可以根据经验设定，即为[t1-δh，t2+δh]，[t3-δh，t4+δh]，[t5-δh，t6+δh]。

进一步的，根据已经设定的水箱进水量由供水系统对水箱进行补水，本实施例中以早高峰之后水箱补水为例，如图4所示。水箱补水总是在非高峰时段进行，且远离高峰结束时刻和下一高峰开始时刻，在水箱补水时，倘若水箱开度过大，瞬间进水量过大，可能会降低到市政进水压力，从而影响非高峰时段正在抽吸市政管网的水泵，造成二次供水出水压力波动过大，有事也会影响到周边直供水用户的用水。因此在水箱补水时，必须调节水箱进水阀门300的开度，从而保证市政进水压力高于一设定值。具体包括以下步骤：

高峰时刻结束，且市政管网压力高于设定值；

开启控制并调节水箱进水阀门300开度，保证市政压力大于设定值；

当水箱补水量≥上一日中高峰的用水量*1.2-早高峰后水箱剩余量时；

关闭水箱进水电动阀。

(4)抽吸对象的切换控制，包括抽吸水箱和抽吸市政管网间的切换。因为存在水箱或市政管网非正常的情况，因此不本步骤为对抽吸对象的切换控制，以保证系统在非正常情况的运行，避免造成不必要的设备损坏。

参照图5的示意，正常情况下，按高峰和低谷时段切换抽吸水箱水和市政水，即本申请上述方法中安设定的时段进行抽水和补水。但是非正常情况存在当高峰时段，水箱无水，而市政供水压力正常，或在低谷时段，水箱有水但市政无水的情况。因此本步骤中还包括：

但若是在高峰时段，市政供水压力正常且水箱无水，则必须切换到抽吸市政管网；

在低谷时段，市政管网无水而水箱有水，则必须切换到抽吸水箱；

若两者都无水，则停泵。

上述箱式无负压供水系统使用本实施例提出的控制优化方法，相应控制动作可由系统中控制柜实现，能够达到：一是尽可能多的时间使用直抽管网模式以保证系统能耗最低；二是控制水箱进水量，使其下一高峰段尽可能多的把水箱水用完，减少水箱水的存储时间，保证水箱水的水质。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。