對城鎮(zhèn)供水二次增壓節(jié)能探討
摘要:隨著城鎮(zhèn)現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展,城鎮(zhèn)供水規(guī)模越來越大,對供水管理的要求也越來越高。二次增壓泵站是城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)的重要耗能環(huán)節(jié)，如何在保證供水安全的條件下實現(xiàn)能耗最低化一直是城鎮(zhèn)供水的難題.本文圍繞相關(guān)問題進行了相關(guān)探討。
關(guān)鍵詞:城鎮(zhèn)供水;二次增壓;管網(wǎng)壓力優(yōu)化;系統(tǒng)節(jié)能
隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，城鎮(zhèn)供水過程中暴露出的矛盾日益突出，一方面人們對供水系統(tǒng)的安全性、可靠性、穩(wěn)定、要求越來越高；另一方面供水企業(yè)在城鎮(zhèn)中屬于耗電大戶，企業(yè)本身要求降低供水生產(chǎn)成本和電能消耗。二次增壓泵站是城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)的重要耗能環(huán)節(jié)，如何在保證供水安全的條件下實現(xiàn)能耗最低化一直是城鎮(zhèn)供水的難題.為實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標，需通過對管網(wǎng)壓力情況做出正確分析，合理選擇增壓供水方式與水泵型號和調(diào)度方式.
1傳統(tǒng)二次增壓供水系統(tǒng)現(xiàn)狀分析
1.1增壓供水形式
傳統(tǒng)二次增壓供水方式一般指水庫（池）增壓，是指由市政進水管供水至低位水池后經(jīng)水泵取水的供水方式.該增壓供水方式的弊端在于無法利用市政管網(wǎng)進水的剩余壓力（h0）導(dǎo)致能量浪費.圖1給出了傳統(tǒng)二次增壓供水系統(tǒng)的供水方式和水壓變化情況.
1.2泵站運行方式
目前，早期建設(shè)的供水增壓泵站普遍存在更新和改造能力較差的問題，某些老式泵站水泵與電機不配套或水泵選型過大，致使水泵和電機的工作效率大幅降低，電能損耗大；某些泵站采用工頻泵供水，仍處于依靠調(diào)節(jié)閥門開啟度來調(diào)整供水量的階段，導(dǎo)致最不利點用戶的壓力普遍偏高且波動劇烈，供水可靠性和經(jīng)濟性都較差.水泵的設(shè)計型號是根據(jù)工程中最不利工況選定的，即按最大設(shè)計流量和揚程選定，而在泵站系統(tǒng)實際運行時，大多數(shù)時間的流量都小于最大設(shè)計流量，水泵工作效率偏離高效段，浪費了能量；同時，泵站依靠閥門阻力增加使水泵揚程上升而調(diào)節(jié)流量，浪費了因管網(wǎng)阻力下降而產(chǎn)生的剩余揚程.圖2是某市增壓泵站某時刻依靠閥門調(diào)節(jié)的能量消耗情況，在該時刻采用閥門調(diào)節(jié)浪費了42.4%的能量，若采用變頻調(diào)速或者切削葉輪措施，則可節(jié)約相應(yīng)的能量.
1.3管網(wǎng)運行現(xiàn)狀
目前，我國許多城鎮(zhèn)管網(wǎng)維護管理不健全，一定程度上仍然依賴于經(jīng)驗，缺乏科學(xué)的理論依據(jù)與管理.隨著城鎮(zhèn)規(guī)模的不斷擴大、用水人口不斷增多及生活水平逐漸提高，城鎮(zhèn)用水量急劇增加，使原有給水系統(tǒng)不堪重負；另外，老城區(qū)給水管網(wǎng)埋地時間較長，管材老化，過水能力下降，供水壓力分布不均，導(dǎo)致部分地區(qū)水量欠缺、低壓區(qū)不斷擴大，部分地區(qū)可能出現(xiàn)壓力過高等問題.特別是在城市一體化供水的模式下，管網(wǎng)的運行和調(diào)度模式都有較大的變化，如隨著供水范圍的擴大，水廠提高出水壓力以保證向周邊地區(qū)長距離輸水而管網(wǎng)運行方式未改變，或管網(wǎng)中增壓泵站供水模式一致，使同時段壓力下降較大，造成管網(wǎng)不能優(yōu)化運行.
2二次增壓供水系統(tǒng)節(jié)能方案
2.1進水余壓優(yōu)化利用
二次增壓泵站之所以采用傳統(tǒng)的水庫增壓方式，原因在于：①供水公司禁止水泵直接從市政管網(wǎng)抽水，以免造成抽水處供水管網(wǎng)壓力下降過大影響管網(wǎng)的供水能力；②直接吸水可能造成因回流而污染城鎮(zhèn)生活用水管網(wǎng)；③城鎮(zhèn)管網(wǎng)來水量的波動易影響增壓水泵的抽水量，無法保證增壓水泵穩(wěn)定工作.若能夠在保證抽水處水壓、水量、水質(zhì)及水泵安全穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)上充分利用剩余水壓，則可大大降低二次增壓泵站能量消耗.
目前，管網(wǎng)余壓節(jié)能利用的方法有直接式管網(wǎng)疊壓供水方式（即無負壓供水設(shè)備）[1-2]、剩余水壓利用器供水方式[3]及水庫和管道聯(lián)合增壓方式等，各種方式的優(yōu)點與適用范圍如表1所示.
以某增壓泵站的改造方案研究為例說明二級增壓泵站管網(wǎng)余壓節(jié)能.該增壓泵站供水量為2萬m3/d，泵站前端進水余壓h0=0.08-0.27MPa，如圖3所示.供水壓力H1=0.35MPa，若能充分利用泵站進水剩余壓力，則增壓電耗可節(jié)省27.9%-71.4%.若采用直接式管網(wǎng)疊壓供水方式，水力模擬結(jié)果表明該方式充分利用了進水余壓，但卻對前端進水管網(wǎng)壓力產(chǎn)生了一定影響，存在產(chǎn)生進水管段一旦出現(xiàn)事故將導(dǎo)致整個增壓范圍完全斷水的潛在危險；由于泵站水泵為定速泵，不宜采用余壓利用器供水方式；考慮其供水區(qū)域與用水量較大且對安全性要求較高，建議采用水庫和管道聯(lián)合增壓供水方式.改造后增壓區(qū)域供水量的74%由管道直接增壓供給，原水泵變頻調(diào)速后滿足直接增壓管道所需提升的揚程，水庫在用水低峰進水而在用水高峰時啟用向管網(wǎng)補充增壓供水.根據(jù)前端模擬分析計算，該方案可節(jié)能56.9%.
2.2泵站內(nèi)部節(jié)能及優(yōu)化調(diào)度
增壓泵站內(nèi)水泵的設(shè)計選型必須經(jīng)過嚴謹細致的計算，合理確定揚程（H）、流量（Q）使之滿足用戶服務(wù)壓力要求.另外，在水泵選型和運行調(diào)度時應(yīng)全面考慮水泵機組的優(yōu)化組合.某增壓泵站供水量為1100-1300m3/d，規(guī)模較小，是針對該區(qū)地勢較高而設(shè)置的小型增壓泵站.泵站內(nèi)水泵的額定揚程為0.62MPa，而其泵站出口壓力H1=0.365-0.375MPa，如圖4所示.其綜合供水單耗遠高于《城市供水行業(yè)2010年技術(shù)進步發(fā)展規(guī)劃及2020年遠景目標》[4]目標值，可見水泵工況點嚴重偏離高效段，造成該泵站的綜合供水電耗高.為充分利用進水余壓h0，建議取消進水清水池，實施無負壓供水改造，更換泵站內(nèi)水泵，選擇配套電機.此方案在一定程度上消除了該處的水質(zhì)安全隱患，保證生活用水安全.該增壓泵站的能耗改造前為15000kWh/月，改造后為4537kWh/月，其綜合供水單耗基本達到該類自來水公司的奮斗目標，經(jīng)投資分析知3年內(nèi)即可收回投資.
2.3供水管網(wǎng)壓力優(yōu)化調(diào)度
利用管網(wǎng)微觀模型對管網(wǎng)運行狀態(tài)進行動態(tài)模擬，分析管網(wǎng)壓力分布與壓力變化情況，從而提出合理的解決方案.對用戶少、用水量不大及服務(wù)壓力偏高的區(qū)域可在滿足管網(wǎng)合格壓力的基礎(chǔ)上降低水壓.對水壓相對較低的區(qū)域，若因局部地勢過高造成無法滿足用戶服務(wù)壓力可在該地區(qū)增設(shè)局部增壓設(shè)備；若因管段壓降損失過大造成，建議敷設(shè)平行管段或更換合適管段；若管網(wǎng)壓力下降區(qū)域較大時可考慮提高水廠出水壓力以滿足整體管網(wǎng)供水壓力要求，此時增壓區(qū)域也要進行相應(yīng)的調(diào)整.以某市供水管網(wǎng)為例，由于實施區(qū)域供水，水廠提高了出廠壓力以給南部新建增壓泵站通水，此時處于
北部和中部的增壓泵站供水區(qū)域的管網(wǎng)中有些管段的自由水壓升至市政直供水平，經(jīng)閥門切換操作后可對該增壓區(qū)域部分供水管段實施市政直接供水，涉及用戶水量約2500m3/d.此外，該市南部的某區(qū)局部地勢高，地面絕對標高20m，水廠地面絕對標高為3m，由于南部水量增加使該區(qū)的管網(wǎng)阻力增加，經(jīng)模擬和實際測壓發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有供水壓力情況下，采用新鋪進水管段和調(diào)節(jié)相關(guān)閥門開啟度等措施都難以實現(xiàn)市政直供，須設(shè)局部增壓設(shè)備.
3結(jié)語
二次增壓泵站是城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)的重要耗能環(huán)節(jié)，如何在保證供水安全的條件下實現(xiàn)能耗最低化一直是城鎮(zhèn)供水的難題.為實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標，需通過對管網(wǎng)壓力情況做出正確分析，合理選擇增壓供水方式與水泵型號和調(diào)度方式.以上分析了城鎮(zhèn)二次增壓泵站供水系統(tǒng)的各個具體環(huán)節(jié)，深入研究了二次增壓供水中的存在問題，提出了管網(wǎng)余壓節(jié)能、泵站節(jié)能及管網(wǎng)壓力優(yōu)化節(jié)能的解決方案。
