自來水廠取水設(shè)計(jì)流量合理性的探討摘要：目前自來水廠一級泵房都是以夏季最高日用水量、冬季枯水位來推算要選取水泵的流量和揚(yáng)程，未考慮兩者存在著時(shí)間差；自流管的選取同樣存在這樣的問題。這就使得目前以一年四季有較大水位變化的江河水為水源的絕大部分水廠一級泵房存在部分水泵閑置，基建一結(jié)束就形成資產(chǎn)閑置，造成資金的浪費(fèi)。1存在的問題南京位于長江以南，市區(qū)的供水主要由北河口水廠、上元門水廠、城南水廠這三大水廠承擔(dān),均以長江為取水水源。正常年份的長江南京段冬、夏季水位相差7.5 m；特殊年份的冬、夏季水位相差達(dá)8.7 m。水位相差如此之大，使南京自來水公司三大水廠在運(yùn)行時(shí)都出現(xiàn)了較大程度的水泵容量閑置。以一年中用水量較大的8月份來看，南京自來水公司的三大水廠取水泵房裝機(jī)臺數(shù)、裝機(jī)容量、開停機(jī)數(shù)及未開機(jī)容量見表1。表1南京自來水公司三大水廠源水泵房開機(jī)狀況 水廠名稱 泵房裝機(jī)數(shù) 夏季開機(jī)數(shù) 開停數(shù)量(不計(jì)備用泵) 泵閑置容量(不計(jì)備用泵) 泵閑置百分比(不計(jì)備用泵) 北河口水廠 610 kW，3+1(備用)臺300 kW，3+1(備用)臺 白天：2大1小夜晚：1大2小 開3停3 1 210 kW 33.24% 城南水廠 260 kW，2臺200 kW，3+1(備用)臺 白天：1大2小夜晚：1大1小 開3停2 460kW 34.8% 上元門水廠(老廠) 450 kW，2臺(大)260 kW，1+1(備用)臺(中)80 kW，1臺(小)75 kW，1臺(小) 白天：2大1小夜晚：1大夜晚：1中夜晚：1小 開3停2 335kW 21.3% 上元門水廠(新廠) 160 kW，3+1(備用)臺(軸流泵) 白天：2臺夜晚：2臺 開2停1 160kW 25.0% 從表1中可以看出，各水廠源水泵房水泵裝機(jī)臺數(shù)和容量過大，閑置的容量最高達(dá)34.8%。這就增加了水泵機(jī)組的投資，擴(kuò)大了固定資產(chǎn)的投入，增加了與水泵配套的電機(jī)及變配電設(shè)備的投資，擴(kuò)大了泵房基礎(chǔ)建設(shè)的投資，增加了平時(shí)維護(hù)檢修的費(fèi)用，同時(shí)水泵機(jī)組的折舊費(fèi)用也提高了，擴(kuò)大了不應(yīng)有的制水成本。從經(jīng)濟(jì)的角度看，各種類型的水泵站運(yùn)行所消耗的動(dòng)力費(fèi)用在整個(gè)給水排水系統(tǒng)的日常維護(hù)費(fèi)用中占用了相當(dāng)大的比例。以一般城鎮(zhèn)水廠而言，約占全國電能總耗的21.0%以上1，因此非常有必要關(guān)注水泵站的動(dòng)力消耗情況。由于水泵設(shè)計(jì)時(shí)考慮的是供水保證率達(dá)到90%99%2的枯水期水位和夏季洪峰期的最高日用水量，故在實(shí)際運(yùn)行時(shí)難以保證水泵都在高效區(qū)運(yùn)行。以南京自來水公司三大水廠為例，1999年部分月份電力消耗情況如表2。表2三大水廠1999年部分月份電力消耗情況 水廠名稱 月份 總進(jìn)水量(104 t) 總耗電量(104 kWh) 單位耗電量kWh/(104 tm) 上元門水廠 1 350.68 49.4824 64.20 2 502.97 48.0967 68.30 7 611.36 38.0164 88.83 8 690.94 43.3182 89.56 城南水廠 1 600.00 35.8020 42.62 2 557.78 33.2982 42.64 7 775.30 24.7095 54.13 8 747.83 76.9436 51.47 北河口水廠 1 1 400.3670 95.2670 48.60 2 1 403.9687 90.8356 46.16 7 1 662.8500 74.9672 63.40 8 1 597.4600 81.8892 73.21 從表2可以看出，同一水廠在不同的月份，單位耗電量相差懸殊。在7月、8月用水高峰期，水泵均處在設(shè)計(jì)流量工況下，而因?yàn)閾P(yáng)程與設(shè)計(jì)揚(yáng)程相差較大，造成單位耗電量大大上揚(yáng)。因此，怎樣合理地確定設(shè)計(jì)水位、設(shè)計(jì)水量，最終選定合適的水泵，就有著非常重要的意義。2現(xiàn)行取水設(shè)計(jì)流量的規(guī)范2一級泵站的設(shè)計(jì)流量為：Qr=QdT(1)式中Qr一級泵站中水泵所供給的流量，m3/dQd供給對象夏天最高日用水量，m3/d輸水管漏損和凈水構(gòu)筑物自身用水而加的系數(shù)，一般取=1.051.1T一級泵站一晝夜工作的時(shí)間，h一級泵站中水泵揚(yáng)程的確定：H=HST+hs+hd(2)式中H泵站的揚(yáng)程，kPaHST靜揚(yáng)程，采用冬季設(shè)計(jì)吸水井的最低水位(或最低動(dòng)水位)與凈化構(gòu)筑物進(jìn)口水面標(biāo)高差hs吸水管路的水頭損失hd輸出管路的水頭損失源水自流管管徑的確定：根據(jù)最高日用水量選定自流管管徑。一般自流管取兩根，考慮到平時(shí)的檢修，規(guī)范要求每根自流管的設(shè)計(jì)進(jìn)水量取總進(jìn)水量的70%。設(shè)計(jì)規(guī)范中，有關(guān)一級泵房的水泵型號及臺數(shù)都是依據(jù)冬季的枯水位、夏季的最高日用水量來確定。這里忽略了兩者存在的時(shí)間差，即當(dāng)供水地區(qū)冬、夏季溫差、源水水位、供水量變化大時(shí)，如此設(shè)計(jì)在水廠中會帶來諸多經(jīng)濟(jì)技術(shù)的不合理性。3解決問題的思路3.1改變水泵選型的設(shè)計(jì)參數(shù)造成源水泵房裝機(jī)臺數(shù)和容量過大的原因可從以下的分析中找到答案。以城南水廠現(xiàn)在用的32SA19D(見圖1)為例，考慮的是同一臺水泵在不同長江水位時(shí)的取水量變化情況。源水泵的揚(yáng)程主要取決于反應(yīng)池與長江水面水位的高差，而反應(yīng)池水面標(biāo)高是定值，因此源水泵的出水量主要取決于長江水位高低。水廠反應(yīng)池水面標(biāo)高13.5 m，加上水頭損失和工作水壓共計(jì)16.5 m。冬季長江水位標(biāo)高一般為2.5 m,夏季長江水位標(biāo)高一般為9.5 m。因此，冬季水泵總揚(yáng)程為Ha=137.2 kPa，出水量為3 200m3/h(53.3m3/min)；夏季水泵總揚(yáng)程為Ha=68.6 kPa，出水量為5 100m3/h(85.0m3/min)，夏季出水量/冬季出水量=5 100/3 200=1.59,也就是說同一臺水泵，夏季出水量是冬季出水量的1.59倍。若按冬季的最低長江水位選泵，設(shè)計(jì)規(guī)模為30.0104m3/d的城南水廠到夏天就變成了47.7104m3/d規(guī)模的水廠，而在要求的供水量未變的情況下，水泵的閑置容量就有可能達(dá)到34.8%。長江水位最低的時(shí)候是在冬季，而冬季是全年用水量最少的季節(jié)。長江水位最高的時(shí)候發(fā)生在夏季，而夏季是全年用水量最多的季節(jié)。1999年冬季和夏季的南京市日供水量與長江水位變化情況見表3、4，從中可見用水量相差多少。表31999年1月2月南京市日供水量與長江水位變化情況 日期 需水量(104m3/d) 長江水位(m) 1月1日 116.4 3.12 1月3日 118.6 3.04 1月5日 122.1 3.07 1月7日 118.3 2.73 1月9日 117.2 2.68 1月11日 117.3 2.58 1月13日 117.1 2.57 1月15日 119.7 2.63 1月17日 118.3 2.84 1月19日 119.8 3.08 1月21日 119.3 3.12 1月23日 117.4 2.99 1月25日 119.8 2.88 1月27日 118.3 2.69 1月29日 118.9 3.00 1月31日 115.3 3.06 2月2日 118.1 3.17 2月4日 117.1 2.94 2月6日 117.1 2.96 2月8日 117.8 2.88 2月10日 115.7 2.86 2月12日 119.1 2.63 2月14日 117.1 2.74 2月16日 103.4 2.91 2月18日 103.7 2.94 2月20日 108.8 2.89 2月22日 108.7 2.80 2月24日 113.2 2.54 2月26日 114.1 2.69 2月28日 115.0 2.54 從表3中可以看出，冬季1月2月的最低水位為2.54 m，1月2月的平均需水量為116.1104m3/d，最大需水量為119.8104m3/d。從表4中可以看出，夏季7月8月的最高水位為9.58 m，7月8月的平均需水量為133.14104m3/d，最大需水量為141.1104m3/d。因此夏季需水量是冬季的1.178倍。照上述結(jié)果推算，城南水廠設(shè)計(jì)用水量為30104m3/d，那么在冬季可供水25104m3/d；北河口水廠設(shè)計(jì)用水量為60104m3/d，那么在冬季可供水51104m3/d；上元門水廠(新廠+舊廠)設(shè)計(jì)用水量為40104m3/d，那么在冬季可供水34104 m3/d。表41999年7月8月南京市日供水量與長江水位變化情況 日期 需水量(104m3/d) 長江水位(m) 7月1日 128.7 8.84 7月3日 131.5 8.95 7月5日 130.1 9.10 7月7日 128.7 9.29 7月9日 130.9 9.26 7月11日 130.6 9.28 7月13日 129.6 9.38 7月15日 130.9 9.38 7月17日 128.6 9.41 7月19日 135.3 9.57 7月21日 135.5 9.57 7月23日 136.7 9.58 7月25日 138.4 9.58 7月27日 140.1 9.50 7月29日 141.1 9.43 8月2日 132.7 9.44 8月4日 133.8 9.28 8月6日 134.5 9.11 8月8日 133.6 8.90 8月10日 134.8 8.83 8月12日 133.4 8.70 8月14日 133.3 8.57 8月16日 133.1 8.47 8月18日 136.3 8.23 8月20日 131.3 8.20 8月22日 130.4 8.16 8月24日 132.2 8.24 8月26日 130.9 8.38 8月28日 134.7 8.50 8月30日 132.5 8.70 由于在水廠設(shè)計(jì)時(shí)，并未扣除冬季比夏季少供17.8%的水量，因而冬季就多出水17.8%，當(dāng)夏季長江水位高時(shí)，就更能多出水。這里隨即又出現(xiàn)一個(gè)問題，如果扣除冬季比夏季少供的17.8%水量，并以冬季的水位、冬季的出水量來選取泵，那么在夏季能否達(dá)到出水量的要求?前面提到的一臺水泵，在冬、夏季長江水位變化為7 m時(shí)，夏季的出水量是冬季的1.59倍，這個(gè)數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1.178倍的要求。筆者調(diào)查了南京市各個(gè)水廠在一年中各個(gè)月份的供水情況與水位情況，各臺水泵基本上都能滿足這樣的要求，所以根本不必?fù)?dān)心按冬季平均供水量所選的泵在夏季出水量不夠的問題。在上述情況下，筆者建議一級泵站設(shè)計(jì)流量參數(shù)的選取可以參照下面公式：Qr=Qd(1-p)T(3)式中p冬季比夏季少供水量的百分?jǐn)?shù)揚(yáng)程參數(shù)的選取還是按照式(2)來計(jì)算。3.2正確選用泵型由于選泵時(shí)主要考慮的是冬天的水位與夏天的用水量，故選用泵的揚(yáng)程與冬季運(yùn)行時(shí)實(shí)際所需揚(yáng)程相差不大。但是，夏季所需揚(yáng)程與水泵的高效揚(yáng)程懸殊就很大了。以北河口水廠在用的1 200 CDM泵為例(見圖2)，可以看出水泵運(yùn)行效率最高的那一個(gè)點(diǎn)為Q=1.2104 m3/h，H=142 kPa。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，冬季水泵的揚(yáng)程為137.2 kPa，因而冬天水泵運(yùn)行時(shí)效率較高，較省電；隨著長江水位的變化，夏天所需的揚(yáng)程變?yōu)橹恍枰?8.6 kPa，與圖中的特性曲線相對照，已經(jīng)不在水泵運(yùn)行的高效區(qū)范圍內(nèi)。另外，水泵所選用電機(jī)的功率也是與枯水位的揚(yáng)程、洪水水位時(shí)的用水量直接關(guān)聯(lián)的。因此，在冬季運(yùn)行時(shí)，水泵雖然在高效區(qū)工作，但由于實(shí)際流量未達(dá)到設(shè)計(jì)流量，也即實(shí)際所需的電機(jī)功率偏小，造成許多功率白白浪費(fèi)，而這些功率要耗費(fèi)很多的電量，夏季就更不用說了。如果在選泵時(shí)考慮到實(shí)際的揚(yáng)程與實(shí)際的用水量，采用冬季的枯水位與枯水位時(shí)的水量，所選用泵的特性曲線類似圖3，那么可望大大節(jié)省耗電量。例如，每臺泵冬季枯水位時(shí)揚(yáng)程為H=137.2 kPa，用水量并未采用最高水量，而是扣除了冬季比夏季少供的水量，折算到一臺泵取Q=8 000m3/h。夏季H=68.6 kPa，最高出水量折算到一臺泵取Q=1.3 104m3/h。若選擇具有類似圖3特性曲線的泵，并在冬季運(yùn)行，水泵在高效區(qū)范圍內(nèi)的揚(yáng)程較大、流量較小的工況點(diǎn)處運(yùn)行，查圖3效率可達(dá)到80%左右。當(dāng)在夏季運(yùn)行時(shí)，水泵在高效區(qū)范圍內(nèi)揚(yáng)程較小、流量較大的工況點(diǎn)處運(yùn)行，查圖3效率可達(dá)到83%左右。因?yàn)樗迷趯?shí)際運(yùn)行時(shí)，其在枯水位和洪水位運(yùn)行的時(shí)間相對于全年來講所占的份額不大，大部分時(shí)間還是在常水位工作，按上述方法所選的泵，水泵在常水位運(yùn)行時(shí)十分接近最高效率點(diǎn)，因此水泵在整個(gè)運(yùn)行期間將比原先大大節(jié)約電能。3.3正確選擇取水自流管直徑通常按規(guī)范設(shè)計(jì)自流管時(shí)，考慮的吸水井的水位基本是：長江水位減去自流管中的水頭損失，最后得出的數(shù)值與長江水位相差不大。按這個(gè)思路，如果設(shè)計(jì)時(shí)考慮吸水井水位是常水位(通常低于枯水位)，在這個(gè)基礎(chǔ)上再考慮不同季節(jié)的用水量和水位的關(guān)系。冬季枯水位時(shí)，需水量少，水位較低，自流管進(jìn)水量少；夏天高水位時(shí)，需水量大，但水位較高，自流管進(jìn)水量多。那么，在長江水冬、夏季水位變化較大的情況下，就可以按冬季的枯水位(吸水井水位取低于枯水位的某一不變水位)、冬季的用水量來設(shè)計(jì)自流管的管徑。最后要用夏季水位和水量來校核所用管徑是否合適。以南京北河口水廠為例，自流管采用兩根直徑為2 400 mm的鋼管，頂部埋設(shè)在百年一遇的最低水位(1.54 m)下1.03 m，設(shè)計(jì)吸水井水位為定值：0.2 m，具體尺寸見圖4。冬季枯水位自流管兩端的水壓差為13 kPa，根據(jù)計(jì)算，一根直徑為2 400 mm的鋼管，進(jìn)水量Qd=150104m3/d。從設(shè)計(jì)規(guī)范來講，當(dāng)一根自流管有故障時(shí)，另一根自流管按規(guī)范要通過70%的用水量，上面計(jì)算的