1、自来水厂取水设计流量合理性的探讨摘 要：目前自来水厂一级泵房都是以夏季最高日用水量、冬季枯水位来推算要选取水泵的流量和扬程，未考虑两者存在着时间差；自流管的选取同样存在这样的问题。这就使得目前以一年四季有较大水位变化的江河水为水源的绝大部分水厂一级泵房存在部分水泵闲置，基建一结束就形成资产闲置，造成资金的浪费。1 存在的问题南京位于长江以南，市区的供水主要由北河口水厂、上元门水厂、城南水厂这三大水厂承担,均以长江为取水水源。正常年份的长江南京段冬、夏季水位相差 7.5 m；特殊年份的冬、夏季水位相差达 8.7 m。水位相差如此之大，使南京自来水公司三大水厂在运行时都出现了较大程度的水泵容量闲置
2、。以一年中用水量较大的 8 月份来看，南京自来水公司的三大水厂取水泵房装机台数、装机容量、开停机数及未开机容量见表 1。表 1 南京自来水公司三大水厂源水泵房开机状况 水厂名称 泵房装机数 夏季开机数 开停数量(不计备用泵) 泵闲置容量(不计备用泵) 泵闲置百分比(不计备用泵) 北河口水厂 610 kW，3+1(备用)台300 kW，3+1(备用)台 白天：2 大 1 小夜晚：1 大 2 小 开 3 停 3 1 210 kW 33.24% 城南水厂 260 kW，2 台200 kW，3+1(备用)台 白天：1 大 2 小夜晚：1 大 1 小 开 3 停 2 460kW 34.8% 上元门水厂(
3、老厂) 450 kW，2 台(大)260 kW，1+1(备用)台(中)80 kW，1 台(小)75 kW，1 台(小) 白天：2 大 1 小夜晚：1 大夜晚：1 中夜晚：1 小 开 3 停 2 335kW 21.3% 上元门水厂(新厂) 160 kW，3+1(备用)台(轴流泵) 白天：2 台夜晚：2 台 开 2 停 1 160kW 25.0% 从表 1 中可以看出，各水厂源水泵房水泵装机台数和容量过大，闲置的容量最高达34.8%。这就增加了水泵机组的投资，扩大了固定资产的投入，增加了与水泵配套的电机及变配电设备的投资，扩大了泵房基础建设的投资，增加了平时维护检修的费用，同时水泵机组的折旧费用也
4、提高了，扩大了不应有的制水成本。从经济的角度看，各种类型的水泵站运行所消耗的动力费用在整个给水排水系统的日常维护费用中占用了相当大的比例。以一般城镇水厂而言，约占全国电能总耗的 21.0%以上1，因此非常有必要关注水泵站的动力消耗情况。由于水泵设计时考虑的是供水保证率达到 90%99%2的枯水期水位和夏季洪峰期的最高日用水量，故在实际运行时难以保证水泵都在高效区运行。以南京自来水公司三大水厂为例，1999 年部分月份电力消耗情况如表 2。表 2 三大水厂 1999 年部分月份电力消耗情况 水厂名称 月份 总进水量(10 4 t) 总耗电量(10 4 kWh) 单位耗电量kWh/(10 4 tm
5、) 上元门水厂 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 城南水厂 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 北河口水厂 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.
6、8892 73.21 从表 2 可以看出，同一水厂在不同的月份，单位耗电量相差悬殊。在 7 月、8 月用水高峰期，水泵均处在设计流量工况下，而因为扬程与设计扬程相差较大，造成单位耗电量大大上扬。因此，怎样合理地确定设计水位、设计水量，最终选定合适的水泵，就有着非常重要的意义。2 现行取水设计流量的规范2一级泵站的设计流量为：Qr=QdT (1)式中 Qr一级泵站中水泵所供给的流量，m 3/dQd供给对象夏天最高日用水量，m 3/d输水管漏损和净水构筑物自身用水而加的系数，一般取 =1.051.1T一级泵站一昼夜工作的时间，h一级泵站中水泵扬程的确定：H=HST+hs+hd (2)式中 H泵站的
7、扬程，kPaHST静扬程，采用冬季设计吸水井的最低水位(或最低动水位)与净化构筑物进口水面标高差hs吸水管路的水头损失hd输出管路的水头损失源水自流管管径的确定：根据最高日用水量选定自流管管径。一般自流管取两根，考虑到平时的检修，规范要求每根自流管的设计进水量取总进水量的 70%。设计规范中，有关一级泵房的水泵型号及台数都是依据冬季的枯水位、夏季的最高日用水量来确定。这里忽略了两者存在的时间差，即当供水地区冬、夏季温差、源水水位、供水量变化大时，如此设计在水厂中会带来诸多经济技术的不合理性。3 解决问题的思路3.1 改变水泵选型的设计参数造成源水泵房装机台数和容量过大的原因可从以下的分析中找到
8、答案。以城南水厂现在用的 32SA19D(见图 1)为例，考虑的是同一台水泵在不同长江水位时的取水量变化情况。源水泵的扬程主要取决于反应池与长江水面水位的高差，而反应池水面标高是定值，因此源水泵的出水量主要取决于长江水位高低。水厂反应池水面标高 13.5 m，加上水头损失和工作水压共计 16.5 m。冬季长江水位标高一般为 2.5 m,夏季长江水位标高一般为 9.5 m。因此，冬季水泵总扬程为 Ha=137.2 kPa，出水量为 3 200m3/h(53.3m3/min)；夏季水泵总扬程为 Ha=68.6 kPa，出水量为 5 100m3/h(85.0m3/min)，夏季出水量/冬季出水量=5
9、 100/3 200=1.59,也就是说同一台水泵，夏季出水量是冬季出水量的 1.59 倍。若按冬季的最低长江水位选泵，设计规模为30.0104m3/d 的城南水厂到夏天就变成了 47.7104m3/d 规模的水厂，而在要求的供水量未变的情况下，水泵的闲置容量就有可能达到 34.8%。长江水位最低的时候是在冬季，而冬季是全年用水量最少的季节。长江水位最高的时候发生在夏季，而夏季是全年用水量最多的季节。1999 年冬季和夏季的南京市日供水量与长江水位变化情况见表 3、4，从中可见用水量相差多少。表 3 1999 年 1 月2 月南京市日供水量与长江水位变化情况 日期 需水量(10 4m3/d)
10、长江水位(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
11、 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 从表 3
12、 中可以看出，冬季 1 月2 月的最低水位为 2.54 m，1 月2 月的平均需水量为116.1104m3/d，最大需水量为 119.8104m3/d。从表 4 中可以看出，夏季 7 月8 月的最高水位为 9.58 m，7 月8 月的平均需水量为 133.14104m3/d，最大需水量为141.1104m3/d。因此夏季需水量是冬季的 1.178 倍。照上述结果推算，城南水厂设计用水量为 30104m3/d，那么在冬季可供水 25104m3/d；北河口水厂设计用水量为60104m3/d，那么在冬季可供水 51104m3/d；上元门水厂(新厂+旧厂)设计用水量为40104m3/d，那么在冬季可供
13、水 34104 m3/d。表 4 1999 年 7 月8 月南京市日供水量与长江水位变化情况 日期 需水量(10 4m3/d) 长江水位(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
14、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
15、8 月 26 日 130.9 8.38 8 月 28 日 134.7 8.50 8 月 30 日 132.5 8.70 由于在水厂设计时，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%，当夏季长江水位高时，就更能多出水。这里随即又出现一个问题，如果扣除冬季比夏季少供的 17.8%水量，并以冬季的水位、冬季的出水量来选取泵，那么在夏季能否达到出水量的要求?前面提到的一台水泵，在冬、夏季长江水位变化为 7 m 时，夏季的出水量是冬季的 1.59 倍，这个数字远远超过 1.178 倍的要求。笔者调查了南京市各个水厂在一年中各个月份的供水情况与水位情况，各台水泵基本上都能满足这样
16、的要求，所以根本不必担心按冬季平均供水量所选的泵在夏季出水量不够的问题。在上述情况下，笔者建议一级泵站设计流量参数的选取可以参照下面公式：Qr=Qd(1-p)T (3)式中 p冬季比夏季少供水量的百分数扬程参数的选取还是按照式(2)来计算。3.2 正确选用泵型由于选泵时主要考虑的是冬天的水位与夏天的用水量，故选用泵的扬程与冬季运行时实际所需扬程相差不大。但是，夏季所需扬程与水泵的高效扬程悬殊就很大了。以北河口水厂在用的 1 200 CDM 泵为例(见图 2)，可以看出水泵运行效率最高的那一个点为Q=1.2104 m3/h，H=142 kPa。实际运行时，冬季水泵的扬程为 137.2 kPa，因
17、而冬天水泵运行时效率较高，较省电；随着长江水位的变化，夏天所需的扬程变为只需要 68.6 kPa，与图中的特性曲线相对照，已经不在水泵运行的高效区范围内。另外，水泵所选用电机的功率也是与枯水位的扬程、洪水水位时的用水量直接关联的。因此，在冬季运行时，水泵虽然在高效区工作，但由于实际流量未达到设计流量，也即实际所需的电机功率偏小，造成许多功率白白浪费，而这些功率要耗费很多的电量，夏季就更不用说了。如果在选泵时考虑到实际的扬程与实际的用水量，采用冬季的枯水位与枯水位时的水量，所选用泵的特性曲线类似图 3，那么可望大大节省耗电量。例如，每台泵冬季枯水位时扬程为 H=137.2 kPa，用水量并未采用
18、最高水量，而是扣除了冬季比夏季少供的水量，折算到一台泵取 Q=8 000m3/h。夏季 H=68.6 kPa，最高出水量折算到一台泵取 Q=1.3 104m3/h。若选择具有类似图 3 特性曲线的泵，并在冬季运行，水泵在高效区范围内的扬程较大、流量较小的工况点处运行，查图 3 效率可达到 80%左右。当在夏季运行时，水泵在高效区范围内扬程较小、流量较大的工况点处运行，查图 3 效率可达到 83%左右。因为水泵在实际运行时，其在枯水位和洪水位运行的时间相对于全年来讲所占的份额不大，大部分时间还是在常水位工作，按上述方法所选的泵，水泵在常水位运行时十分接近最高效率点，因此水泵在整个运行期间将比原先
19、大大节约电能。3.3 正确选择取水自流管直径通常按规范设计自流管时，考虑的吸水井的水位基本是：长江水位减去自流管中的水头损失，最后得出的数值与长江水位相差不大。按这个思路，如果设计时考虑吸水井水位是常水位(通常低于枯水位)，在这个基础上再考虑不同季节的用水量和水位的关系。冬季枯水位时，需水量少，水位较低，自流管进水量少；夏天高水位时，需水量大，但水位较高，自流管进水量多。那么，在长江水冬、夏季水位变化较大的情况下，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变水位)、冬季的用水量来设计自流管的管径。最后要用夏季水位和水量来校核所用管径是否合适。以南京北河口水厂为例，自流管采用两根直径为
20、 2 400 mm 的钢管，顶部埋设在百年一遇的最低水位(1.54 m)下 1.03 m，设计吸水井水位为定值：0.2 m，具体尺寸见图 4。冬季枯水位自流管两端的水压差为 13 kPa，根据计算，一根直径为 2 400 mm 的钢管，进水量 Qd=150104m3/d。从设计规范来讲，当一根自流管有故障时，另一根自流管按规范要通过 70%的用水量，上面计算的这根水管可以满足一个规模为 214.3104m3/d 的水厂；北河口水厂取水管需满足新、老两厂 90.0104m3/d 的用水量，考虑到冬季比夏季少供水17.8%，即只要供水 76.4104m3/d 就可以满足用水量(大大超过夏季所需水量
21、)。两根长为71 m 的管子，管径从 2.4 m 缩小为 1.5 m，可以节约几十万元的投资。综上所述，在地表水河床式自流管取水的水厂设计中，若均能按此建议，人为控制集水井为某一常水位，用枯水位对应的冬季平均需水量设计进水钢管，则经济效益是可观的。4 结论当水厂水源的水位变幅较大，水泵的扬程冬、夏季相差 49 kPa 左右，冬、夏季的供水量差在 20%左右，就应该通过式(3)优先按冬季水源水位和冬季的供水量来计算并选取泵型。以立项设计规模供水量和初夏时供水量突然增大的月份校核已选的泵，看能否满足供水量的要求。自流管管径的确定同样要看水源水位的变化情况。在水位变幅较大时，可以人为地将吸水井水位看作是一个常水位，以冬季的用水量和水位计算出单根自流管的经济管径，然后选用夏天的水位、水量来校核所选的自流管管径是否满足设计的要求。参考文献：1姜乃昌. 水泵及水泵站(第 3 版)M.北京：中国建筑工业出版社，1993.2GBJ 1386，室外给水设计规范S.3城市给水.见：给水排水设计手册(第 3 册)M.北京：中国建筑工业出版社，1995.4常用设备.见：给水排水设计手册(第 11 册)M.北京：中国建筑工业出版社，1995.
