有效调峰对自来水的重要性

宋文娟

（上海熊猫机械（集团）有限公司，上海 201703）

1 前言

社会经济在不断发展，大批人口不断涌向城市，城市用水需求不断增加。首先，一些管网在规划设计时未能完全预测到用水的增加，初始管径无法满足现状需求[1]；其次，设备老旧，进行管道增压会导致更大泄漏，或无法承受更大压力，因此管网压力维持在较低水平；第三，供水区域增大，无法保障管网各处压力流量供应均能满足要求等等，因此，给水工程中出现以下情况：在不是居民用水高峰时段水压基本能满足要求，但在高峰时段，出现水压较低甚至无水可用。针对供水要求越来越高、供水系统不断扩大、复杂性不断提高的现象，为解决区域供水与用水紧张关系，调峰泵站应运而生，其能在不扩大供水管径、不更新原有供水设施的基础上提高供水能力[2，3]，稳定供水压力，提升居民用水体验，进而提升供水单位形象。本文从对调峰泵站的基本组成与作用出发，进而阐释智慧调峰的基本工作模式，在此基础上指出采用智慧调峰泵站进行有效调峰的重要性，给出工程案例及发展优势。

2 调峰泵站基本组成及作用

2.1 调峰泵站的基本组成

调峰泵站基本组成包括储水间、泵组、控制系统、加氯间及其他附属设备。储水间较为常见的型式为调节清水池和储水箱式两种，清水池结构简单，造价相对较低，但占地面积大，而且安全卫生方面不如箱式；箱式储水间具有安全卫生、美观实用等优点，因此用户更倾向于设置箱式泵站。水泵机组选择需在对设备及水泵性能较为了解，且需对用水情况进行考察和分析，在技术经济综合评定下选择。控制系统是泵站高效运行的核心必备条件，控制系统的好坏决定了泵站运行的优劣。加氯一般采用直接投加氯酸钠原液方式。其他附属设备有排水、监控、报警等附加功能，以此来保障泵站安全可靠持续高效的运行。

2.2 调峰泵站的作用

概括来讲，调峰泵站的作用可以体现在三个方面：（1）蓄水调峰，蓄水调峰是调峰泵站的根本目的，在用水低峰时蓄水，高峰时供水，调节系统水量缓解供需矛盾，由于泵站的低峰蓄水和高峰供水，一定程度上降低了管网的小时变化系数，可以使得市政供水系统更多时间运行在高效区；（2）二次加压，通过二次加压可以保障下游用户的用水需求，而不必使市政管网维持较高的水压，保障需求的同时也降低了市政管网的漏损；（3）提高供水安全性，市政施工或者故障维修时会导致局部区域停水，此时，调峰泵站内储水仍能在一定时间内持续供水。图1 给出了一调峰泵站设计。在无调峰时，对于上侧区域，由于距离水厂较远及现有管道问题，用水无法保障，导致用水高峰几乎无水可用，严重影响生活生产；而经过综合计算分析，最终在图示标记位置增加一调峰泵站，较好解决了用水问题，从而保障整个管网用水正常供应，并且通过发展规模与速度预测分析，可以保障未来6 年的供水增长需求。

图1 某调峰泵站设置图

3 智慧泵站有效调峰重要性

3.1 智慧调峰泵站

智慧调峰泵站是集常规调峰泵站和变频无负压供水技术[4-11]为一体发展而来的。变频无负压以变频恒压供水设备为基础，由四个部分组成，分别是：无负压调节罐、泵组、稳压罐以及智能控制系统。智慧调峰的基本原理如下：低峰时段，利用市政管网对调峰水箱进行补水，同时充分利用自来水管网压力，启动无负压变频给水而不影响市政管网；高峰时段，市政来流无法满足需求，系统控制调峰水箱泵组启动，通过智能控制，将其输出与无负压输出进行耦合汇流，从而保障用水，同时充分利用物联网技术，通过增设数据采集模块，实时将运行参数传输至云计算平台进行分析处理，实现信息化、智能化。通过智慧调峰泵站进行有效调峰对于实现“最后一公里”自来水安全可靠节能高效供给意义重大，是国家公共卫生安全体系中供水的安全稳定的重要组成部分。

3.2 有效调峰实现方法及重要性

有效调峰的理想情况是指用水低峰时段水箱蓄水量刚好满足用水高峰时段用水。然而实际情况并不能完全满足，总结现有水箱的实际使用情况，归纳为以下三种典型模式：（1）即用即进型，任何时候水箱进水均等于水箱用水量，水箱水位保持不变，此种情况下水箱的作用在于市政断水时仍能保障一定时间的供水能力；（2）均匀进水型，水箱在不同时刻的进水量相同，其等于用户用水量的均值，实际中该方法难以控制，其原因在于用户用水的日均量、月均量、年均量是变化的，无法找到一个定值，水箱设置小无法满足要求，设置太大浪费资源；（3）削峰填谷型，该种类型是调峰泵站的理想工作类型，也是多数调峰泵站的实际工作形式，但不同的单位设置的调峰泵站，其工况差别可能会较大，这是由于蓄水箱的设置需综合考虑市政来水和用户用水量。有效调峰也即尽可能地实现削峰填谷，这对于自来水高效供给是十分重要的。

有效调峰的另一个重要内容是位置选择及最优控制，其可在获取市政管网的基础上通过蚁群算法或遗传算法实现最优化选择。最根本的内容是损失、管径、流量的关系。对于简单管路，应用能量方程可得平衡关系：

式中，λ为沿程阻力系数；l为管长，m；d为管径，m；ζ为局部阻力系数；v为流速，m/s；g为重力加速度，m/s2。

令SH=8（λ+Σζ），称为管路阻抗，则有

对于市政供水管路，在d，l已知的情况下，S只与λ和Σζ变化，对于市政给水，雷诺数Re 一般为105数量级，因此可以作为处于阻力平方区对待，这时λ仅与K/d有关，其中K 为绝对粗糙度，故此时可将视为常数。Σζ只有进行阀门调节时可以改变，而其他构建已确定局部阻力系数。综上可知，在简单管路中，阻力的损失与体积流量的平方成正比。在建模中，市政管网可以通过简单管路的串并联来实现，对于串联管网，根据各支路流量相等阻力叠加关系可推导出总阻抗和局部阻抗关系

即，串联管路总管路阻抗等于各段管路阻抗之和。根据并联管路满足总流量等于支路流量之和而各支路阻力损失相等关系可得

即，并联管路总阻抗平方根的倒数等于各支路阻抗平方根的倒数之和。在建立管网关系后即可根据市政统计数据及需求情况进行数学求解，寻找最优解，调峰泵站的具体位置得到确定，此外，其关系特性也可作为调峰过程的优化调度的指导。

总而言之，有效调峰主要体现在以下三个层面。首先，通过调峰可以保障用户安全可靠卫生用水；其次，有效调峰可实现变频无负压给水充分利用市政压力，供水不能满足需求时从水箱抽取蓄水补充流量，而且是在变频条件下运行，可以最大程度降低电能消耗，节能环保，研究表明，供水行业中电耗占其管理费用的70%以上，而主要电耗为水泵运行，因此通过变频辅以优化控制[12-15]可以极大程度节约电能；再次，通过智慧调峰泵站进行有效调峰与直接设置蓄水箱进行调峰相比，无负压给水系统的设置可以有效减小水箱容积，紧凑高效，占地面积小。采用智慧调峰泵站进行有效调峰有利于实现供水设备运行能耗的节约，提升供水运行可靠性和智能化水平，降低管理和使用成本，进而实现产品标准化。

4 工程案例

4.1 工程概况

管材质为球墨铸铁，管径DN600。用水高峰时段，最大小时来流水量：Qin,max=400 m3/h，最大小时来流量时来流可用压力按照0.05 MPa 计。泵站日供水量Qd=18 000 m3/d，出口压力要求为0.36 MPa，小时变化系数Kh=1.4。

4.2 参数计算与选型

根据日用水量及小时变化系数计算设计流量Qh：

校核管道：选取经济流速为v=1.2 m/s，计算管道最大过流量Qpmax：

由于Qpmax＞Qh=1 050 m3/h，因此管道校核满足。

计算调峰补充小时流量Qadd：

根据以上计算结果，叠压泵选用3 台AABS125-295(I)轴冷节能双吸泵，并配套使用Φ2 000 的补偿器，叠压后压力为0.36 MPa；水箱加压泵选用3 台AABS125-370 轴冷节能双吸泵，水泵出口压力0.36 MPa。叠压泵组和水箱泵组采用自主研发的自适应全变频控制系统进行耦合汇流，可实现出口流量在10%～100%范围内变化时仍能恒压高效输出。

计算蓄水容积Vstroe：

根据调查及反馈情况，并结合经验高峰时段持续时间按t=3 h 计，水箱蓄水容积为：

根据水泵计算泵房空间尺寸，并结合实际进行取整。最终选择调峰泵站总尺寸为30 m×28 m×3 m，其中泵房尺寸为15 m×12 m×3 m。泵房及水箱内增加其他附属设施。泵站布置如图2 所示。

图2 泵站布置示意图

4.3 功能特点

箱体采用承压全密封结构，防止二次污染，用水低峰时叠压给水同时实现蓄水，用水高峰叠压给水与差额补水耦合运行，采用熊猫专利技术，实现10%～100%流量全变频高效运行，节电10%～30%，泵站运行信息实时联网传输至云管理平台，并可实现远程操控。

5 结论

采用智慧调峰泵站实现对供水系统的有效调峰，对满足用水需求，确保水质安全卫生，实现节能降耗具有广阔的应用前景和显著的应用优势，具有占地面积小、施工周期短、系统集成度高、高效低噪、环境友好等特点。在实际设计应用中，应在充分调查研究分析的基础上，设计好叠压参数，实现叠压流量与补充流量的合理分配，采用节能电机并充分利用变频技术，通过对要点的综合把握，最终实现工程实际的高效可靠运行。今后的研究与工程设计工作，可对充分利用市政压力与积极应用变频技术两者并用，从而更好地实现自来水供给的安全节能智能高效。