一种根据实时流量自动匹配合适水泵的供水设备及方法技术领域
本发明涉及一种供水设备及方法，具体涉及一种根据实时流量自动精确匹配合适水泵的
供水设备及方法，属于供水设备节能技术领域。
背景技术
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加压供水，高层建筑就需要经过加压设备供水。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，水的供給量经常高于需求量，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。
目前市面上的供水设备存在以下几点问题：
1、节能效果不理想。供水设备在设计时，是按实际最大用水量取1.5至2.5倍裕量来设
计总流量的，而实际用水量在极限情况下都是达不到此设计流量的，在项目入住率低以及非
用水高峰期的情况下，偏离设计流量的程度更大。水泵的效率曲线近似抛物线，其顶点为额
定流量值，只有在水泵的额定流量±20～30％范围内可近似认为其工作在高效率区间。常规二
次供水技术一般均使用二至四台(对应一用一备至三用一备)相同流量及功率的水泵并联供
水，此种方式下，只有在用水高峰期时某台水泵工作在工频状态下此泵才会达到最高效率，
其余绝大多数工况下均偏离高效率区间较远，效率很低，造成单位送水量能耗过高，远达不
到其理论节能效果。
2、水泵变频/工频切换过程中因水泵转速变化过快，忽启忽停，造成出水水压波动太大，
严重影响用户的用水舒适性。
供水设备的离心泵具有：额定扬程越低，效率越高；额定流量越大，效率也越高的两个
特性。如何利用供水设备离心泵的这两个特性解决现有的供水设备存在的这两大问题对于解
决城市市政供水难题具有极大的社会意义。
CN201089954Y公开了一种自动分量供水装置，在供水管上增设分量探头，当供水水源不
足，流量减少，压力下降时，分量探头将接收的压力变化通过导线反馈给控制箱内的控制开
关，控制开关控制水泵开启泵数量或减少水泵转速，控制其取水量，来大道分量取水。该对
比文件中的技术虽然可以解决高楼居民用水难的问题，但是能耗较高而且水泵转速频繁切换，
将影响设备的使用寿命。
CN100523397C公开了一种城市梯级恒压供水设备及方法，该对比文件中的供水设备安
装有一组不同流量的变频水泵，可以有效提高能源使用效率，提高节能效果，但是水泵的选
择是由出水口的压力来控制的，很不精准，不能实现设备流量的实时监测，以自动精确匹配、
切换、组合、启停最合适流量值的水泵，使所有水泵在所有用水时段均可工作于高效区间，
最大限度地实现节能的功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能耗低、能根据实时流量自动精确匹配合适水
泵，使所有水泵在所有用水时段均可工作于高效区间，最大限度地实现节能的供水设备及方
法。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案如下：
一种根据实时流量自动匹配合适水泵的供水设备，包括串联式叠压连接的低区供水设备、
中区供水设备和高区供水设备；其中，所述低区供水设备依次包括：流量计、出水压力监测
装置、一组不同流量的水泵及相对应功率的变频器、缺水保护装置、稳压装置和可编程逻辑
控制器(以下简称“PLC”)；所述不同流量的水泵之间并联连接，所述每台水泵由对应功率
的变频器单独驱动；所述变频器、流量计、出水压力监测装置与缺水保护装置分别与PLC相
连；所述流量计可安装在进水总管也可安装在出水总管，实时监测设备流量值反馈至PLC，
PLC根据实时流量自动匹配合适水泵；所述中区供水设备和高区供水设备的设备组成与低区
供水设备相同，仅各水泵流量、扬程数值及对应的驱动用变频器功率不同，其它结构、构成
部件、控制过程均与加压低区供水设备一致。
进一步地，当设备的设计流量小于50m3/h时，所述水泵为两台不同流量的水泵，每台水
泵均由一台其对应额定功率的变频器单独驱动。即所述水泵包括大流量水泵和小流量水泵，
对应功率的变频器为大功率变频器和小功率变频器。
进一步地，当设备的设计流量大于50m3/h时，所述水泵为三台不同流量的水泵，每台水
泵均由一台其对应额定功率的变频器单独驱动。即所述水泵包括大流量水泵、中流量水泵和
小流量水泵，对应功率的变频器为大功率变频器、中功率变频器和小功率变频器。
优选地，所述流量计为电磁流量计、超声波流量计、涡轮流量计、涡街流量计中的一种。
优选地，所述出水压力监测装置为远传压力表、压力变送器中的一种。
优选地，所述缺水保护装置为电接点压力表、压力开关、浮球液位开关中的一种。
进一步地，所述低区供水设备、中区供水设备和高区供水设备还分别包括与PLC通讯连
接的彩色触摸屏。
进一步地，在所述低区供水设备前还设有稳流罐。
进一步地，所述PLC可使用单片机替代。
本发明将同一个项目的高、中、低三个供水分区串联起来，水源从低区供水设备进水总
管输入，加压后的出水分成两路，一路直接输出供应低区用户，另一路作为中区供水设备水
源，加压中区供水设备的出水再次分为两路，一路直接输出供应中区用户，另一路作为高区
供水设备的水源，这路水源加压后从高区供水设备的出水总管输出供应高区用户；
所述低区供水设备、中区供水设备、高区供水设备分别包括一组不同流量的水泵及相对
应功率的变频器以及安装在进水总管或出水总管的流量计，所述不同流量的水泵之间并联连
接，所述每台水泵由对应功率的变频器单独驱动；所述流量计能实时监测设备的流量值，并
反馈至PLC，由PLC控制变频器驱动对应的合适水泵启停，使所有水泵在所有用水时段均工
作于高效区间。
工作原理：
供水设备使用的离心水泵有两个特性：额定扬程越低，其效率越高；额定流量越大，其
效率也越高。根据离心泵的这两个特性，本发明做了如下改进：
1、本发明使用串联式叠压技术：即将同一个项目的高、中、低三个供水分区(低区供水
设备、中区供水设备和高区供水设备)串联起来，低区设计流量为项目总流量，流量计算时
按项目总用水户数计算，扬程为低区设计扬程，低区供水设备加压后的出水分成两路，一路
直接供应低区用户，另一路做为中区供水设备的水源；中区供水设备在低区供水设备出水的
压力基础上叠加一个很小的压力即可达到中区供水设备所需的扬程，中区供水设备设计流量
时按中区和高区两区用水户数总和计算，加压后的出水同样分成两路，一路直接供应中区用
户，另一路做为高区供水设备的水源；高区供水设备在中区供水设备出水的压力基础上叠加
一个很小的压力即可达到高区供水设备所需的扬程，设计流量时只按高区用水户数计算即可。
由于每个分区设备所需的扬程都很低，大约在二十米至三十五米之间，而低区和中区的流量
大幅增加，所选用的水泵效率要较传统方式要高得多，因此，整套设备所需的总功率会大幅
下降，实现节能的目的。
2、同时为使所有水泵的效率在所有用水时段均工作于高效率运行区间，本发明使用自适
量单泵变频技术。
(1)当设备的设计流量小于50m3/h时，可使用两台不同流量的水泵，即大流量水泵和
小流量水泵，每台水泵均由一台其对应额定功率的变频器单独驱动(分别为大功率变频器和
小功率变频器)。选择水泵时，尽量使两台泵的水泵效率曲线的高效区间平滑对接，且两台
水泵的各泵流量总和为该套设备的总流量值，以保证无论用水流量数值多少，此数值均处于
其中一台或两台水泵并联运行的高效区间。
(2)当设计流量大于50m3/h时，则使用三台不同流量的水泵，即大流量水泵、中流量
水泵和小流量水泵，每台水泵均由一台其对应额定功率的变频器单独驱动(分别大功率变频
器、中频率变频器和小功率变频器)。选择水泵时同样应尽量使三台泵的水泵效率曲线的高
效区间平滑对接，且三台水泵的各泵流量总和为该套设备的总流量值，以保证无论用水流量
数值多少，此数值均处于其中一台或多台水泵并联运行的高效区间。
为实现自动匹配、切换、组合、启停合适流量值的水泵，在进水或出水总管安装一台高
精度高稳定性的流量计，所述流量计可优选为电磁流量计、超声波流量计、涡轮流量计、涡
街流量计。流量计实时监测设备总流量，根据流量范围由PLC(可编程逻辑控制器)13内置
程序自动精确匹配、切换、组合、启停最合适流量值的水泵，使所有水泵在所有用水时段均
可工作于高效区间，最大限度地实现节能。
出于成本考虑，设计流量值大于50m3/h的项目每个分区的成套设备也可只使用两台水
泵。为提高系统的稳定性，可考虑增设一台备用泵，备用泵应选择流量最小那台水泵，因为
此台水泵运行时间最长，启动最频繁，且整体成本增加最少。备用泵与其它几台水泵一样，
也单独使用一台变频器独立驱动，与相同流量那台水泵自动切换轮流备用。
为了消除水压突变以稳定出水压力，本发明在出水总管上连接稳压罐，微小流量时由稳
压罐供水，以免设备频繁启停造成能源浪费及设备提前损坏。
当来水不足或停水时，由安装在进水总管上的缺水保护装置将信号送至PLC(可编程逻
辑控制器)控制系统自动停机保护，来水正常时自动启动设备正常供水。
为方便显示、监控系统运行状态及设定参数，本发明采用彩色触摸屏，通过数据线与PLC
(可编程逻辑控制器)通讯连接，可显示、监控系统运行状态、设定参数及查询故障记录等。
若水源为市政自来水等带压水源，则设备需要增加稳流罐(无负压罐)，需要在所述低
区供水设备前设稳流罐。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明自适量单泵变频技术，通过安装在进水总管或出水总管的流量计实时监测设备
总流量，将此数据送至PLC进行运算匹配，自动精确匹配选择高效区间最接近此流量数值的
一台或多台并联运行的水泵，由其对应的变频器单独驱动，使所有水泵在所有用水时段均工
作于高效区间，以最大程度实现节能。
2、本发明将高、中、低三个加压分区供水设备串联式连接，可使每个加压分区的水泵扬
程降低，同时使低、中区的水泵流量增大，可提高水泵效率，在同样的工况下，可使整个供
水系统(含高、中、低三个加压分区)所需的总功率比常规方式下降几个功率等级。
3、本发明的每台水泵均由其对应其功率的一台变频器单独驱动，有几台水泵就有几台变
频器，没有变频/工频切换过程，避免了切换时的转速突变，水压波动小。同时，我们在切换
水泵过程中使用了延时切换技术，准备投入使用的水泵先加速至出水压力开始有上升趋势后，
原来运行的那台水泵再行减速直至关停，最大限度的减少了水压波动的可能性。
综上，本发明结构简单、能耗低、节能效果显著、能实现节能30％以上；此外，水泵无
变频/工频切换过程，避免了切换时的转速突变，能有效延长供水设备的使用寿命。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种根据实时流量自动匹配合适水泵的供水设备的流程示意图；
图2为本发明的供水设备串联式叠压供水流程示意图；
图3为行业现有技术中的供水设备并联式供水流程示意图。
附图标注说明：
1、稳流罐；2、彩色触摸屏；3、流量计；4、出水压力监测装置；5、小功率变频器；6、
小流量水泵；7、中功率变频器；8、中流量水泵；9、大功率变频器；10、大流量水泵；11、
缺水保护装置；12、稳压装置；13、PLC(可编程逻辑控制器)；14、低区供水设备；15、低
区用户；16、中区供水设备；17、中区用户；18、高区供水设备；19、高区用户。
具体实施方式
以下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述：
实施例1
本实施的设计流量大于50m3/h，所述供水设备的水泵为三台不同流量的水泵。
如图1所示，本实施例一种根据实时流量自动匹配合适水泵的供水设备，包括串联式叠
压连接的低区供水设备14、中区供水设备16和高区供水设备18。所述低区供水设备14依次
包括彩色触摸屏2、流量计3、出水压力监测装置4、小流量水泵6和对应功率的小功率变频
器5、中流量水泵8和对应功率的中功率变频器7、大流量水泵10和对应功率的大功率变频
器9、缺水保护装置11、稳压装置12以及PLC(可编程逻辑控制器)13。
小流量水泵6、中流量水泵8、大流量水泵10并联连接，并分别由小功率变频器5、中
功率变频器7、大功率变频器9单独驱动。
所述变频器(包括小功率变频器5、中功率变频器7、大功率变频器9)、流量计3、出
水压力监测装置4与缺水保护装置11分别与PLC(可编程逻辑控制器)13相连；彩色触摸屏
2通过485数据线与PLC(可编程逻辑控制器)13通讯连接。
在进水总管和出水总管上分别安装有流量计3，实时监测设备流量值反馈至PLC(可编程
逻辑控制器)13，PLC(可编程逻辑控制器)13根据实时流量自动匹配合适水泵。
所述中区供水设备16和高区供水设备18的设备组成与低区供水设备14相同，只是各水
泵流量、扬程数值不同及对应的驱动用变频器功率不同，其它结构、构成部件、控制过程均
与加压低区供水设备完全一致。所述低、中、高供水设备还包括配套管阀件、切换元件、柜
体、底座等。
本实施例中，流量计3优选电磁流量计。
本实施例中，出水压力监测装置4优选压力变送器。
本实施例中，缺水保护装置11优选浮球液位开关。
本实施例中的水源为市政自来水等带压水源，需要先通过稳流罐(无负压罐)1，再输送
至低区供水设备14的进水总管。
本实施的工作原理如下：
市政自来水(带压水源)通过稳流罐(无负压罐)1进入低区供水设备14进水总管，通
过并联的三台不同流量的水泵(小流量水泵6、中流量水泵8和大流量水泵10)加压后进入
低区供水设备14出水总管。出水分成两路，一路直接供应低区用户15，另一路作为中区供
水设备16的水源，加压后从中区供水设备16的进水总管进入，经中区供水设备16再次加压
后同样由中区供水设备16出水总管出水。出水再次分成两路，一路直接供应加压中区用户
17，另一路做为加压高区供水设备18的水源从高区供水设备18的进水总管进入，经高区供
水设备18再次加压后同样由出水总管出水，出水直供加压高区用户19。电磁流量计3实时
监测设备总流量，根据流量范围值由PLC(可编程逻辑控制器)13内置程序自动精确匹配、
切换、组合最合适流量值的水泵，由PLC(可编程逻辑控制器)13控制变频器(小功率变频
器5、中功率变频器7、大功率变频器9)，驱动对应的水泵(小流量水泵6、中流量水泵8
和大流量水泵10)启停，使所有水泵在所有用水时段均工作于高效区间。压力变送器4监测
压力信号，并将出口压力信号送至PLC(可编程逻辑控制器)13，由其内置PID程序控制当
前启动的变频器输出频率增大或减少，控制相应的水泵加速或减速，以使出水口的压力恒定。
为防止水泵缺水空转损坏，本实施例在进水总管处设有缺水保护装置11，本实施例选用浮球
液位开关。为了消除水压突变以稳定出水压力，本实施例在出水总管上连接稳压罐12，微
小流量时由稳压罐供水以免设备频繁启停造成能源浪费及设备提前损坏。为方便显示、监控
系统运行状态及设定参数，本实施例采用彩色触摸屏2，可显示、监控系统运行状态、设定
参数及查询故障记录等。
实施例2
实施例2与实施例1的区别仅在于实施例1中的PLC(可编程逻辑控制器)13用单片机
替代。
上述实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。不脱离本发明的整个
技术范围，可进行各种修改和改变。