宋文娟

（上海熊貓機(jī)械（集團(tuán)）有限公司，上海 201703）

1 前言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)在不斷發(fā)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(wǎng)在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)未能完全預(yù)測(cè)到用水的增加，初始管徑無法滿足現(xiàn)狀需求[1]；其次，設(shè)備老舊，進(jìn)行管道增壓會(huì)導(dǎo)致更大泄漏，或無法承受更大壓力，因此管網(wǎng)壓力維持在較低水平；第三，供水區(qū)域增大，無法保障管網(wǎng)各處壓力流量供應(yīng)均能滿足要求等等，因此，給水工程中出現(xiàn)以下情況：在不是居民用水高峰時(shí)段水壓基本能滿足要求，但在高峰時(shí)段，出現(xiàn)水壓較低甚至無水可用。針對(duì)供水要求越來越高、供水系統(tǒng)不斷擴(kuò)大、復(fù)雜性不斷提高的現(xiàn)象，為解決區(qū)域供水與用水緊張關(guān)系，調(diào)峰泵站應(yīng)運(yùn)而生，其能在不擴(kuò)大供水管徑、不更新原有供水設(shè)施的基礎(chǔ)上提高供水能力[2，3]，穩(wěn)定供水壓力，提升居民用水體驗(yàn)，進(jìn)而提升供水單位形象。本文從對(duì)調(diào)峰泵站的基本組成與作用出發(fā)，進(jìn)而闡釋智慧調(diào)峰的基本工作模式，在此基礎(chǔ)上指出采用智慧調(diào)峰泵站進(jìn)行有效調(diào)峰的重要性，給出工程案例及發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

2 調(diào)峰泵站基本組成及作用

2.1 調(diào)峰泵站的基本組成

調(diào)峰泵站基本組成包括儲(chǔ)水間、泵組、控制系統(tǒng)、加氯間及其他附屬設(shè)備。儲(chǔ)水間較為常見的型式為調(diào)節(jié)清水池和儲(chǔ)水箱式兩種，清水池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)相對(duì)較低，但占地面積大，而且安全衛(wèi)生方面不如箱式；箱式儲(chǔ)水間具有安全衛(wèi)生、美觀實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，因此用戶更傾向于設(shè)置箱式泵站。水泵機(jī)組選擇需在對(duì)設(shè)備及水泵性能較為了解，且需對(duì)用水情況進(jìn)行考察和分析，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)定下選擇?？刂葡到y(tǒng)是泵站高效運(yùn)行的核心必備條件，控制系統(tǒng)的好壞決定了泵站運(yùn)行的優(yōu)劣。加氯一般采用直接投加氯酸鈉原液方式。其他附屬設(shè)備有排水、監(jiān)控、報(bào)警等附加功能，以此來保障泵站安全可靠持續(xù)高效的運(yùn)行。

2.2 調(diào)峰泵站的作用

概括來講，調(diào)峰泵站的作用可以體現(xiàn)在三個(gè)方面：（1）蓄水調(diào)峰，蓄水調(diào)峰是調(diào)峰泵站的根本目的，在用水低峰時(shí)蓄水，高峰時(shí)供水，調(diào)節(jié)系統(tǒng)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(wǎng)的小時(shí)變化系數(shù)，可以使得市政供水系統(tǒng)更多時(shí)間運(yùn)行在高效區(qū)；（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(wǎng)維持較高的水壓，保障需求的同時(shí)也降低了市政管網(wǎng)的漏損；（3）提高供水安全性，市政施工或者故障維修時(shí)會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域停水，此時(shí)，調(diào)峰泵站內(nèi)儲(chǔ)水仍能在一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)供水。圖1 給出了一調(diào)峰泵站設(shè)計(jì)。在無調(diào)峰時(shí)，對(duì)于上側(cè)區(qū)域，由于距離水廠較遠(yuǎn)及現(xiàn)有管道問題，用水無法保障，導(dǎo)致用水高峰幾乎無水可用，嚴(yán)重影響生活生產(chǎn)；而經(jīng)過綜合計(jì)算分析，最終在圖示標(biāo)記位置增加一調(diào)峰泵站，較好解決了用水問題，從而保障整個(gè)管網(wǎng)用水正常供應(yīng)，并且通過發(fā)展規(guī)模與速度預(yù)測(cè)分析，可以保障未來6 年的供水增長(zhǎng)需求。

圖1 某調(diào)峰泵站設(shè)置圖

3 智慧泵站有效調(diào)峰重要性

3.1 智慧調(diào)峰泵站

智慧調(diào)峰泵站是集常規(guī)調(diào)峰泵站和變頻無負(fù)壓供水技術(shù)[4-11]為一體發(fā)展而來的。變頻無負(fù)壓以變頻恒壓供水設(shè)備為基礎(chǔ)，由四個(gè)部分組成，分別是：無負(fù)壓調(diào)節(jié)罐、泵組、穩(wěn)壓罐以及智能控制系統(tǒng)。智慧調(diào)峰的基本原理如下：低峰時(shí)段，利用市政管網(wǎng)對(duì)調(diào)峰水箱進(jìn)行補(bǔ)水，同時(shí)充分利用自來水管網(wǎng)壓力，啟動(dòng)無負(fù)壓變頻給水而不影響市政管網(wǎng)；高峰時(shí)段，市政來流無法滿足需求，系統(tǒng)控制調(diào)峰水箱泵組啟動(dòng)，通過智能控制，將其輸出與無負(fù)壓輸出進(jìn)行耦合匯流，從而保障用水，同時(shí)充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過增設(shè)數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)時(shí)將運(yùn)行參數(shù)傳輸至云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)信息化、智能化。通過智慧調(diào)峰泵站進(jìn)行有效調(diào)峰對(duì)于實(shí)現(xiàn)“最后一公里”自來水安全可靠節(jié)能高效供給意義重大，是國(guó)家公共衛(wèi)生安全體系中供水的安全穩(wěn)定的重要組成部分。

3.2 有效調(diào)峰實(shí)現(xiàn)方法及重要性

有效調(diào)峰的理想情況是指用水低峰時(shí)段水箱蓄水量剛好滿足用水高峰時(shí)段用水。然而實(shí)際情況并不能完全滿足，總結(jié)現(xiàn)有水箱的實(shí)際使用情況，歸納為以下三種典型模式：（1）即用即進(jìn)型，任何時(shí)候水箱進(jìn)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(shí)仍能保障一定時(shí)間的供水能力；（2）均勻進(jìn)水型，水箱在不同時(shí)刻的進(jìn)水量相同，其等于用戶用水量的均值，實(shí)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(gè)定值，水箱設(shè)置小無法滿足要求，設(shè)置太大浪費(fèi)資源；（3）削峰填谷型，該種類型是調(diào)峰泵站的理想工作類型，也是多數(shù)調(diào)峰泵站的實(shí)際工作形式，但不同的單位設(shè)置的調(diào)峰泵站，其工況差別可能會(huì)較大，這是由于蓄水箱的設(shè)置需綜合考慮市政來水和用戶用水量。有效調(diào)峰也即盡可能地實(shí)現(xiàn)削峰填谷，這對(duì)于自來水高效供給是十分重要的。

有效調(diào)峰的另一個(gè)重要內(nèi)容是位置選擇及最優(yōu)控制，其可在獲取市政管網(wǎng)的基礎(chǔ)上通過蟻群算法或遺傳算法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化選擇。最根本的內(nèi)容是損失、管徑、流量的關(guān)系。對(duì)于簡(jiǎn)單管路，應(yīng)用能量方程可得平衡關(guān)系：

式中，λ為沿程阻力系數(shù)；l為管長(zhǎng)，m；d為管徑，m；ζ為局部阻力系數(shù)；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(duì)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(duì)于市政給水，雷諾數(shù)Re 一般為105數(shù)量級(jí)，因此可以作為處于阻力平方區(qū)對(duì)待，這時(shí)λ僅與K/d有關(guān)，其中K 為絕對(duì)粗糙度，故此時(shí)可將視為常數(shù)。Σζ只有進(jìn)行閥門調(diào)節(jié)時(shí)可以改變，而其他構(gòu)建已確定局部阻力系數(shù)。綜上可知，在簡(jiǎn)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(wǎng)可以通過簡(jiǎn)單管路的串并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)，對(duì)于串聯(lián)管網(wǎng)，根據(jù)各支路流量相等阻力疊加關(guān)系可推導(dǎo)出總阻抗和局部阻抗關(guān)系

即，串聯(lián)管路總管路阻抗等于各段管路阻抗之和。根據(jù)并聯(lián)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(guān)系可得

即，并聯(lián)管路總阻抗平方根的倒數(shù)等于各支路阻抗平方根的倒數(shù)之和。在建立管網(wǎng)關(guān)系后即可根據(jù)市政統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及需求情況進(jìn)行數(shù)學(xué)求解，尋找最優(yōu)解，調(diào)峰泵站的具體位置得到確定，此外，其關(guān)系特性也可作為調(diào)峰過程的優(yōu)化調(diào)度的指導(dǎo)。

總而言之，有效調(diào)峰主要體現(xiàn)在以下三個(gè)層面。首先，通過調(diào)峰可以保障用戶安全可靠衛(wèi)生用水；其次，有效調(diào)峰可實(shí)現(xiàn)變頻無負(fù)壓給水充分利用市政壓力，供水不能滿足需求時(shí)從水箱抽取蓄水補(bǔ)充流量，而且是在變頻條件下運(yùn)行，可以最大程度降低電能消耗，節(jié)能環(huán)保，研究表明，供水行業(yè)中電耗占其管理費(fèi)用的70%以上，而主要電耗為水泵運(yùn)行，因此通過變頻輔以優(yōu)化控制[12-15]可以極大程度節(jié)約電能；再次，通過智慧調(diào)峰泵站進(jìn)行有效調(diào)峰與直接設(shè)置蓄水箱進(jìn)行調(diào)峰相比，無負(fù)壓給水系統(tǒng)的設(shè)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(diào)峰泵站進(jìn)行有效調(diào)峰有利于實(shí)現(xiàn)供水設(shè)備運(yùn)行能耗的節(jié)約，提升供水運(yùn)行可靠性和智能化水平，降低管理和使用成本，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化。

4 工程案例

4.1 工程概況

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

4.2 參數(shù)計(jì)算與選型

根據(jù)日用水量及小時(shí)變化系數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)流量Qh：

校核管道：選取經(jīng)濟(jì)流速為v=1.2 m/s，計(jì)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(jì)算調(diào)峰補(bǔ)充小時(shí)流量Qadd：

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，疊壓泵選用3 臺(tái)AABS125-295(I)軸冷節(jié)能雙吸泵，并配套使用Φ2 000 的補(bǔ)償器，疊壓后壓力為0.36 MPa；水箱加壓泵選用3 臺(tái)AABS125-370 軸冷節(jié)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(fā)的自適應(yīng)全變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行耦合匯流，可實(shí)現(xiàn)出口流量在10%～100%范圍內(nèi)變化時(shí)仍能恒壓高效輸出。

計(jì)算蓄水容積Vstroe：

根據(jù)調(diào)查及反饋情況，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)高峰時(shí)段持續(xù)時(shí)間按t=3 h 計(jì)，水箱蓄水容積為：

根據(jù)水泵計(jì)算泵房空間尺寸，并結(jié)合實(shí)際進(jìn)行取整。最終選擇調(diào)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(nèi)增加其他附屬設(shè)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(diǎn)

箱體采用承壓全密封結(jié)構(gòu)，防止二次污染，用水低峰時(shí)疊壓給水同時(shí)實(shí)現(xiàn)蓄水，用水高峰疊壓給水與差額補(bǔ)水耦合運(yùn)行，采用熊貓專利技術(shù)，實(shí)現(xiàn)10%～100%流量全變頻高效運(yùn)行，節(jié)電10%～30%，泵站運(yùn)行信息實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)傳輸至云管理平臺(tái)，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。

5 結(jié)論

采用智慧調(diào)峰泵站實(shí)現(xiàn)對(duì)供水系統(tǒng)的有效調(diào)峰，對(duì)滿足用水需求，確保水質(zhì)安全衛(wèi)生，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗具有廣闊的應(yīng)用前景和顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，具有占地面積小、施工周期短、系統(tǒng)集成度高、高效低噪、環(huán)境友好等特點(diǎn)。在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中，應(yīng)在充分調(diào)查研究分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)好疊壓參數(shù)，實(shí)現(xiàn)疊壓流量與補(bǔ)充流量的合理分配，采用節(jié)能電機(jī)并充分利用變頻技術(shù)，通過對(duì)要點(diǎn)的綜合把握，最終實(shí)現(xiàn)工程實(shí)際的高效可靠運(yùn)行。今后的研究與工程設(shè)計(jì)工作，可對(duì)充分利用市政壓力與積極應(yīng)用變頻技術(shù)兩者并用，從而更好地實(shí)現(xiàn)自來水供給的安全節(jié)能智能高效。