有效調峰對自來水的重要性

宋文娟

（上海熊貓機械（集團）有限公司，上海 201703）

1 前言

社會經濟在不斷發展，大批人口不斷涌向城市，城市用水需求不斷增加。首先，一些管網在規劃設計時未能完全預測到用水的增加，初始管徑無法滿足現狀需求[1]；其次，設備老舊，進行管道增壓會導致更大泄漏，或無法承受更大壓力，因此管網壓力維持在較低水平；第三，供水區域增大，無法保障管網各處壓力流量供應均能滿足要求等等，因此，給水工程中出現以下情況：在不是居民用水高峰時段水壓基本能滿足要求，但在高峰時段，出現水壓較低甚至無水可用。針對供水要求越來越高、供水系統不斷擴大、復雜性不斷提高的現象，為解決區域供水與用水緊張關系，調峰泵站應運而生，其能在不擴大供水管徑、不更新原有供水設施的基礎上提高供水能力[2，3]，穩定供水壓力，提升居民用水體驗，進而提升供水單位形象。本文從對調峰泵站的基本組成與作用出發，進而闡釋智慧調峰的基本工作模式，在此基礎上指出采用智慧調峰泵站進行有效調峰的重要性，給出工程案例及發展優勢。

2 調峰泵站基本組成及作用

2.1 調峰泵站的基本組成

調峰泵站基本組成包括儲水間、泵組、控制系統、加氯間及其他附屬設備。儲水間較為常見的型式為調節清水池和儲水箱式兩種，清水池結構簡單，造價相對較低，但占地面積大，而且安全衛生方面不如箱式；箱式儲水間具有安全衛生、美觀實用等優點，因此用戶更傾向于設置箱式泵站。水泵機組選擇需在對設備及水泵性能較為了解，且需對用水情況進行考察和分析，在技術經濟綜合評定下選擇?？刂葡到y是泵站高效運行的核心必備條件，控制系統的好壞決定了泵站運行的優劣。加氯一般采用直接投加氯酸鈉原液方式。其他附屬設備有排水、監控、報警等附加功能，以此來保障泵站安全可靠持續高效的運行。

2.2 調峰泵站的作用

概括來講，調峰泵站的作用可以體現在三個方面：（1）蓄水調峰，蓄水調峰是調峰泵站的根本目的，在用水低峰時蓄水，高峰時供水，調節系統水量緩解供需矛盾，由于泵站的低峰蓄水和高峰供水，一定程度上降低了管網的小時變化系數，可以使得市政供水系統更多時間運行在高效區；（2）二次加壓，通過二次加壓可以保障下游用戶的用水需求，而不必使市政管網維持較高的水壓，保障需求的同時也降低了市政管網的漏損；（3）提高供水安全性，市政施工或者故障維修時會導致局部區域停水，此時，調峰泵站內儲水仍能在一定時間內持續供水。圖1 給出了一調峰泵站設計。在無調峰時，對于上側區域，由于距離水廠較遠及現有管道問題，用水無法保障，導致用水高峰幾乎無水可用，嚴重影響生活生產；而經過綜合計算分析，最終在圖示標記位置增加一調峰泵站，較好解決了用水問題，從而保障整個管網用水正常供應，并且通過發展規模與速度預測分析，可以保障未來6 年的供水增長需求。

圖1 某調峰泵站設置圖

3 智慧泵站有效調峰重要性

3.1 智慧調峰泵站

智慧調峰泵站是集常規調峰泵站和變頻無負壓供水技術[4-11]為一體發展而來的。變頻無負壓以變頻恒壓供水設備為基礎，由四個部分組成，分別是：無負壓調節罐、泵組、穩壓罐以及智能控制系統。智慧調峰的基本原理如下：低峰時段，利用市政管網對調峰水箱進行補水，同時充分利用自來水管網壓力，啟動無負壓變頻給水而不影響市政管網；高峰時段，市政來流無法滿足需求，系統控制調峰水箱泵組啟動，通過智能控制，將其輸出與無負壓輸出進行耦合匯流，從而保障用水，同時充分利用物聯網技術，通過增設數據采集模塊，實時將運行參數傳輸至云計算平臺進行分析處理，實現信息化、智能化。通過智慧調峰泵站進行有效調峰對于實現“最后一公里”自來水安全可靠節能高效供給意義重大，是國家公共衛生安全體系中供水的安全穩定的重要組成部分。

3.2 有效調峰實現方法及重要性

有效調峰的理想情況是指用水低峰時段水箱蓄水量剛好滿足用水高峰時段用水。然而實際情況并不能完全滿足，總結現有水箱的實際使用情況，歸納為以下三種典型模式：（1）即用即進型，任何時候水箱進水均等于水箱用水量，水箱水位保持不變，此種情況下水箱的作用在于市政斷水時仍能保障一定時間的供水能力；（2）均勻進水型，水箱在不同時刻的進水量相同，其等于用戶用水量的均值，實際中該方法難以控制，其原因在于用戶用水的日均量、月均量、年均量是變化的，無法找到一個定值，水箱設置小無法滿足要求，設置太大浪費資源；（3）削峰填谷型，該種類型是調峰泵站的理想工作類型，也是多數調峰泵站的實際工作形式，但不同的單位設置的調峰泵站，其工況差別可能會較大，這是由于蓄水箱的設置需綜合考慮市政來水和用戶用水量。有效調峰也即盡可能地實現削峰填谷，這對于自來水高效供給是十分重要的。

有效調峰的另一個重要內容是位置選擇及最優控制，其可在獲取市政管網的基礎上通過蟻群算法或遺傳算法實現最優化選擇。最根本的內容是損失、管徑、流量的關系。對于簡單管路，應用能量方程可得平衡關系：

式中，λ為沿程阻力系數；l為管長，m；d為管徑，m；ζ為局部阻力系數；v為流速，m/s；g為重力加速度，m/s2。

令SH=8（λ+Σζ），稱為管路阻抗，則有

對于市政供水管路，在d，l已知的情況下，S只與λ和Σζ變化，對于市政給水，雷諾數Re 一般為105數量級，因此可以作為處于阻力平方區對待，這時λ僅與K/d有關，其中K 為絕對粗糙度，故此時可將視為常數。Σζ只有進行閥門調節時可以改變，而其他構建已確定局部阻力系數。綜上可知，在簡單管路中，阻力的損失與體積流量的平方成正比。在建模中，市政管網可以通過簡單管路的串并聯來實現，對于串聯管網，根據各支路流量相等阻力疊加關系可推導出總阻抗和局部阻抗關系

即，串聯管路總管路阻抗等于各段管路阻抗之和。根據并聯管路滿足總流量等于支路流量之和而各支路阻力損失相等關系可得

即，并聯管路總阻抗平方根的倒數等于各支路阻抗平方根的倒數之和。在建立管網關系后即可根據市政統計數據及需求情況進行數學求解，尋找最優解，調峰泵站的具體位置得到確定，此外，其關系特性也可作為調峰過程的優化調度的指導。

總而言之，有效調峰主要體現在以下三個層面。首先，通過調峰可以保障用戶安全可靠衛生用水；其次，有效調峰可實現變頻無負壓給水充分利用市政壓力，供水不能滿足需求時從水箱抽取蓄水補充流量，而且是在變頻條件下運行，可以最大程度降低電能消耗，節能環保，研究表明，供水行業中電耗占其管理費用的70%以上，而主要電耗為水泵運行，因此通過變頻輔以優化控制[12-15]可以極大程度節約電能；再次，通過智慧調峰泵站進行有效調峰與直接設置蓄水箱進行調峰相比，無負壓給水系統的設置可以有效減小水箱容積，緊湊高效，占地面積小。采用智慧調峰泵站進行有效調峰有利于實現供水設備運行能耗的節約，提升供水運行可靠性和智能化水平，降低管理和使用成本，進而實現產品標準化。

4 工程案例

4.1 工程概況

管材質為球墨鑄鐵，管徑DN600。用水高峰時段，最大小時來流水量：Qin,max=400 m3/h，最大小時來流量時來流可用壓力按照0.05 MPa 計。泵站日供水量Qd=18 000 m3/d，出口壓力要求為0.36 MPa，小時變化系數Kh=1.4。

4.2 參數計算與選型

根據日用水量及小時變化系數計算設計流量Qh：

校核管道：選取經濟流速為v=1.2 m/s，計算管道最大過流量Qpmax：

由于Qpmax＞Qh=1 050 m3/h，因此管道校核滿足。

計算調峰補充小時流量Qadd：

根據以上計算結果，疊壓泵選用3 臺AABS125-295(I)軸冷節能雙吸泵，并配套使用Φ2 000 的補償器，疊壓后壓力為0.36 MPa；水箱加壓泵選用3 臺AABS125-370 軸冷節能雙吸泵，水泵出口壓力0.36 MPa。疊壓泵組和水箱泵組采用自主研發的自適應全變頻控制系統進行耦合匯流，可實現出口流量在10%～100%范圍內變化時仍能恒壓高效輸出。

計算蓄水容積Vstroe：

根據調查及反饋情況，并結合經驗高峰時段持續時間按t=3 h 計，水箱蓄水容積為：

根據水泵計算泵房空間尺寸，并結合實際進行取整。最終選擇調峰泵站總尺寸為30 m×28 m×3 m，其中泵房尺寸為15 m×12 m×3 m。泵房及水箱內增加其他附屬設施。泵站布置如圖2 所示。

圖2 泵站布置示意圖

4.3 功能特點

箱體采用承壓全密封結構，防止二次污染，用水低峰時疊壓給水同時實現蓄水，用水高峰疊壓給水與差額補水耦合運行，采用熊貓專利技術，實現10%～100%流量全變頻高效運行，節電10%～30%，泵站運行信息實時聯網傳輸至云管理平臺，并可實現遠程操控。

5 結論

采用智慧調峰泵站實現對供水系統的有效調峰，對滿足用水需求，確保水質安全衛生，實現節能降耗具有廣闊的應用前景和顯著的應用優勢，具有占地面積小、施工周期短、系統集成度高、高效低噪、環境友好等特點。在實際設計應用中，應在充分調查研究分析的基礎上，設計好疊壓參數，實現疊壓流量與補充流量的合理分配，采用節能電機并充分利用變頻技術，通過對要點的綜合把握，最終實現工程實際的高效可靠運行。今后的研究與工程設計工作，可對充分利用市政壓力與積極應用變頻技術兩者并用，從而更好地實現自來水供給的安全節能智能高效。