对城镇供水二次增压节能探讨

　　摘要:随着城镇现代化建设的快速发展,城镇供水规模越来越大,对供水管理的要求也越来越高。二次增压泵站是城镇供水系统的重要耗能环节，如何在保证供水安全的条件下实现能耗最低化一直是城镇供水的难题.本文围绕相关问题进行了相关探讨。
　　关键词:城镇供水;二次增压;管网压力优化;系统节能
　　随着经济的发展和人民生活水平的提高，城镇供水过程中暴露出的矛盾日益突出，一方面人们对供水系统的安全性、可靠性、稳定、要求越来越高；另一方面供水企业在城镇中属于耗电大户，企业本身要求降低供水生产成本和电能消耗。二次增压泵站是城镇供水系统的重要耗能环节，如何在保证供水安全的条件下实现能耗最低化一直是城镇供水的难题.为实现节能降耗的目标，需通过对管网压力情况做出正确分析，合理选择增压供水方式与水泵型号和调度方式.
　　1传统二次增压供水系统现状分析
　　1.1增压供水形式
　　传统二次增压供水方式一般指水库（池）增压，是指由市政进水管供水至低位水池后经水泵取水的供水方式.该增压供水方式的弊端在于无法利用市政管网进水的剩余压力（h0）导致能量浪费.图1给出了传统二次增压供水系统的供水方式和水压变化情况.
　　
　　1.2泵站运行方式
　　目前，早期建设的供水增压泵站普遍存在更新和改造能力较差的问题，某些老式泵站水泵与电机不配套或水泵选型过大，致使水泵和电机的工作效率大幅降低，电能损耗大；某些泵站采用工频泵供水，仍处于依靠调节阀门开启度来调整供水量的阶段，导致最不利点用户的压力普遍偏高且波动剧烈，供水可靠性和经济性都较差.水泵的设计型号是根据工程中最不利工况选定的，即按最大设计流量和扬程选定，而在泵站系统实际运行时，大多数时间的流量都小于最大设计流量，水泵工作效率偏离高效段，浪费了能量；同时，泵站依靠阀门阻力增加使水泵扬程上升而调节流量，浪费了因管网阻力下降而产生的剩余扬程.图2是某市增压泵站某时刻依靠阀门调节的能量消耗情况，在该时刻采用阀门调节浪费了42.4%的能量，若采用变频调速或者切削叶轮措施，则可节约相应的能量.
　　1.3管网运行现状
　　目前，我国许多城镇管网维护管理不健全，一定程度上仍然依赖于经验，缺乏科学的理论依据与管理.随着城镇规模的不断扩大、用水人口不断增多及生活水平逐渐提高，城镇用水量急剧增加，使原有给水系统不堪重负；另外，老城区给水管网埋地时间较长，管材老化，过水能力下降，供水压力分布不均，导致部分地区水量欠缺、低压区不断扩大，部分地区可能出现压力过高等问题.特别是在城市一体化供水的模式下，管网的运行和调度模式都有较大的变化，如随着供水范围的扩大，水厂提高出水压力以保证向周边地区长距离输水而管网运行方式未改变，或管网中增压泵站供水模式一致，使同时段压力下降较大，造成管网不能优化运行.
　　2二次增压供水系统节能方案
　　2.1进水余压优化利用
　　二次增压泵站之所以采用传统的水库增压方式，原因在于：①供水公司禁止水泵直接从市政管网抽水，以免造成抽水处供水管网压力下降过大影响管网的供水能力；②直接吸水可能造成因回流而污染城镇生活用水管网；③城镇管网来水量的波动易影响增压水泵的抽水量，无法保证增压水泵稳定工作.若能够在保证抽水处水压、水量、水质及水泵安全稳定工作的基础上充分利用剩余水压，则可大大降低二次增压泵站能量消耗.
　　目前，管网余压节能利用的方法有直接式管网叠压供水方式（即无负压供水设备）[1-2]、剩余水压利用器供水方式[3]及水库和管道联合增压方式等，各种方式的优点与适用范围如表1所示.
　　
　　以某增压泵站的改造方案研究为例说明二级增压泵站管网余压节能.该增压泵站供水量为2万m3/d，泵站前端进水余压h0=0.08-0.27MPa，如图3所示.供水压力H1=0.35MPa，若能充分利用泵站进水剩余压力，则增压电耗可节省27.9%-71.4%.若采用直接式管网叠压供水方式，水力模拟结果表明该方式充分利用了进水余压，但却对前端进水管网压力产生了一定影响，存在产生进水管段一旦出现事故将导致整个增压范围完全断水的潜在危险；由于泵站水泵为定速泵，不宜采用余压利用器供水方式；考虑其供水区域与用水量较大且对安全性要求较高，建议采用水库和管道联合增压供水方式.改造后增压区域供水量的74%由管道直接增压供给，原水泵变频调速后满足直接增压管道所需提升的扬程，水库在用水低峰进水而在用水高峰时启用向管网补充增压供水.根据前端模拟分析计算，该方案可节能56.9%.
　　
　　2.2泵站内部节能及优化调度
　　增压泵站内水泵的设计选型必须经过严谨细致的计算，合理确定扬程（H）、流量（Q）使之满足用户服务压力要求.另外，在水泵选型和运行调度时应全面考虑水泵机组的优化组合.某增压泵站供水量为1100-1300m3/d，规模较小，是针对该区地势较高而设置的小型增压泵站.泵站内水泵的额定扬程为0.62MPa，而其泵站出口压力H1=0.365-0.375MPa，如图4所示.其综合供水单耗远高于《城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标》[4]目标值，可见水泵工况点严重偏离高效段，造成该泵站的综合供水电耗高.为充分利用进水余压h0，建议取消进水清水池，实施无负压供水改造，更换泵站内水泵，选择配套电机.此方案在一定程度上消除了该处的水质安全隐患，保证生活用水安全.该增压泵站的能耗改造前为15000kWh/月，改造后为4537kWh/月，其综合供水单耗基本达到该类自来水公司的奋斗目标，经投资分析知3年内即可收回投资.
　　
　　2.3供水管网压力优化调度
　　利用管网微观模型对管网运行状态进行动态模拟，分析管网压力分布与压力变化情况，从而提出合理的解决方案.对用户少、用水量不大及服务压力偏高的区域可在满足管网合格压力的基础上降低水压.对水压相对较低的区域，若因局部地势过高造成无法满足用户服务压力可在该地区增设局部增压设备；若因管段压降损失过大造成，建议敷设平行管段或更换合适管段；若管网压力下降区域较大时可考虑提高水厂出水压力以满足整体管网供水压力要求，此时增压区域也要进行相应的调整.以某市供水管网为例，由于实施区域供水，水厂提高了出厂压力以给南部新建增压泵站通水，此时处于
　　北部和中部的增压泵站供水区域的管网中有些管段的自由水压升至市政直供水平，经阀门切换操作后可对该增压区域部分供水管段实施市政直接供水，涉及用户水量约2500m3/d.此外，该市南部的某区局部地势高，地面绝对标高20m，水厂地面绝对标高为3m，由于南部水量增加使该区的管网阻力增加，经模拟和实际测压发现，在现有供水压力情况下，采用新铺进水管段和调节相关阀门开启度等措施都难以实现市政直供，须设局部增压设备.
　　3结语
　　二次增压泵站是城镇供水系统的重要耗能环节，如何在保证供水安全的条件下实现能耗最低化一直是城镇供水的难题.为实现节能降耗的目标，需通过对管网压力情况做出正确分析，合理选择增压供水方式与水泵型号和调度方式.以上分析了城镇二次增压泵站供水系统的各个具体环节，深入研究了二次增压供水中的存在问题，提出了管网余压节能、泵站节能及管网压力优化节能的解决方案。