新疆时时彩500期走势|新疆时时彩基本走势图
中國水務行業觀察者!

山區多級增壓泵站系統設計及安全運行的思考
更新時間:2018-12-03 來源:紹興柯橋供水有限公司 作者:王培永 祝永江 周建強

摘要:本文以湖塘山區多級疊壓供水系統為研究對象,通過對系統的運行情況進行長時間的觀察,對發現的各種問題進行分析,有針對性地提出了改進技術措施,大大提升了系統的穩定性與安全性,為今后繼續開展山區農村飲用水供水工程打下了扎實的理論及實踐基礎。

關鍵詞:山區;農村供水;加壓泵站;疊壓供水;設計

 

1  前言

農村飲用水安全問題一直是國家及各級政府高度重視和極力解決的一項重點工作,利用城市給水管網延伸使農村用上城市自來水是解決農民飲用水安全問題最徹底、最有效、最可靠的方法。山區地理特殊,條件復雜,供水系統的設計及建設運行管理與平原地區有很大不同,有著更高的標準和要求。本文從山區多級增壓供水系統的設計入手,對供水系統存在的如供水可靠性較低、水錘危害、雷擊破壞等問題進行了深入的分析和探討,并有針對性的提出了一些技術措施和對策,以使供水系統更加安全可靠。

 

2  多級增壓方式的選擇

山區主要特點就是海拔高,在城市供水中高地供水一般的傳統增壓泵站由清水池、吸水井、泵房等構筑物組成,這種模式投資大,占地多,建設工期長,易產生水池二次污染,一般也需要人工值班,不便于管理控制,但最大的優點是供水可靠性高。

對于山區農村高地供水,也可采用建筑二次供水的模式,有兩種方式,第一種方式為水池+變頻供水或水池+變頻供水+水箱,第二種方式為疊壓供水方式。第一種方式與傳統泵站相似,第二種方式投資少、占地小、建設快,能避免水質二次污染,集成度高,便于控制和管理,無需人工值班,最大缺點是供水可靠性較低,尤其是消防用水、管道沖洗等非正常用水時可靠性很低。

借著浙江省政府“五水共治”的契機,我們在山區飲用水擴面工程中大膽嘗試了水箱與疊壓供水設備的結合產品—箱式無負壓,利用水箱的蓄水性緩解疊壓供水設備對管網的沖擊,利用疊壓供水設備的密閉性消除水箱的二次污染隱患,兩者相得益彰。

箱式無負壓相比傳統變頻水箱或水池占地面積小,在各種工況下都能利用前端管網壓力,能節約功耗,后期進行水箱清洗時,設備也能持續供水;相比罐式無負壓,箱式無負壓的調蓄能力針對接力泵站在可靠性方面更優越。

本文的研究對象為湖塘山區多級疊壓供水系統,該系統于2014年建成投運,涉及供水戶數2600戶,最高海拔145米,總管長度15公里,由四套無負壓供水設備串聯疊壓供水,其中1#3#泵站為箱式無負壓,2#4#泵站為罐式無負壓,1#、2#、3#、4#泵站之間都有直供區存在。

 

3  問題分析

根據目前湖塘山區多級疊壓供水系統的使用情況,經過近一年的觀察,該系統在正常供水時,多級疊壓系統穩定性尚好,但也存在著一些問題,需要進行深化的分析。

3.1  系統停水后恢復供水較為緩慢

無負壓多級疊壓泵站在山地接力供水遇到停電、管網檢修或停水一段時間之后,管道內的水由于直供區的持續使用,或者管網本身的跑冒滴漏滲,會逐漸被放空。等待電力恢復正常或者前端管網壓力恢復正常之后,每級泵站的控制系統自動重新啟動,此時會先由一級泵站開始,然后逐級對管網內注水。但是由于每套設備各自獨立運行,相互沒有關聯,由設備前后端壓力控制設備的啟停及水泵運行頻率和運行臺數,后級泵站在重新啟動時為滿足后端空管需求必然會全頻率運行,將前端管道內的水全部拉空,而前級泵站又無法及時反應將管段內的水補滿,導致后級泵站負壓報警而停機。如此反復,大大延長了系統恢復供水的時間,且如此高頻率的啟停,對設備的損害也極為嚴重。經觀察,該套系統從重新啟動到恢復供水需要一個小時,每套設備啟停平均約需20次。

以上現象的出現,歸根索源是因為針對民用住宅設計的無負壓恒壓變頻運行原理及控制邏輯,并不適應多級疊壓泵站復雜的運行工況。我們先簡單看下無負壓恒壓變頻運行原理:為保護前端管網壓力,設備會設置負壓下限h1,當進水壓力低于負壓下限時,設備停機;當前端壓力恢復,設備重新啟動,變頻器開始運轉啟動主泵,當出口壓力達到設定壓力h2時,電機轉速穩定,系統達到平衡。隨著用水量的增大,出水壓力下降,水泵加頻,但出水壓力依然下降直至低于壓力下限h3,此時設備延時加泵,從而保證出水壓力穩定。當用水量開始減小,出水壓力高于壓力上限h4,變頻泵隨之減速,工頻泵延時減泵。

圖片1.jpg

圖1 多級疊壓泵站示意圖

目前,基本上所有的接力泵站的控制系統都是獨立的,彼此運行的數據無法進行共享,1級、2級…N級泵站之間的關聯紐帶只有管道壓力,單一、脆弱。一旦因不確定的因素導致流量變化,從而引起壓力震蕩,那么前一級泵站的壓力波動會向后一級傳導,壓力波動呈擴大趨勢,勢必會對設備的運行產生影響,導致整個系統運行不平穩。結合圖1,我們看下基于恒壓變頻運行原理的4套獨立系統,應用在4級疊壓泵站上停機重啟過程:1級泵站前端壓力P1恢復正常,設備自動啟動,A段管道部分空管,1級泵站出水壓力P2一般會低于壓力下限,此時水泵加頻并且延時加泵,使P2升高達到設定壓力,由于工頻泵尚未減泵,P2繼續升高很快超過壓力上限,此時1級泵站開始降頻減泵;當P2升高達到設定壓力,P3也恢復,2級泵站啟動,此時B段大部分空管,P4過低,水泵迅速加頻并且加泵從A段管網取水,使P4達到設定壓力,但會導致A段管網壓力迅速下降,此時1級泵站可能已經減泵, P2將壓力下降的信號反饋到1級泵站控制系統,系統再控制水泵加頻,然后加泵進行補壓。這中間有個問題,那就是2級泵站從A段管網取水,首先是P3檢測到壓力下降的信號,然后P2會檢測到壓力下降的信號并反饋到1級泵站控制系統,1級泵站控制系統再控制加頻、加泵,從P3壓力下降到1級泵站水泵加泵這之間需要時間,這段時間內P3就可能低于負壓下限,導致2級泵站停機,然后P3馬上升高,2級泵站再次啟動,P3再次降低,然后加頻加泵,如此反復,直至2級泵站出水壓力高于壓力下限達到給定壓力,C、D段管道也是如此。

所以就出現了多級疊壓泵站在停水后再恢復持續穩定的供水,整個系統需要多次啟停,時間上很長,設備的故障率增加,并且影響電器元件及水泵的機械壽命。連接紐帶的單一性,信息傳遞的延時性,系統動作的滯后性,彼此運行工況的不互通性,乃是問題的根本。

3.2  無法保證瞬時大流量(管網排放、消火栓取水等)的用水穩定性

疊壓泵站之間多有直供區,直供區的黃海標高一般要低于后級泵站的黃海標高,當直供區的流量發生變化時會直接影響多級泵站的運行穩定性,直供區包括生活供水、消防供水和管道沖洗。

當常規生活用水流量突然增大時,我們以圖1C段管道為例進行說明,3級泵站加頻或加泵來維持出水壓力P6穩定在給定壓力,但是由于直供區取水量增大,導致C段流速增大,管損也隨之增大,那么4級泵站進水壓力P7會下降,這就有可能會對4級泵站的穩定運行產生影響。也就是說,3級泵站的恒壓變頻控制在直供區的流量產生變化時,不能保證4級泵站進水壓力的穩定。

當管網進行沖洗排放或者消火栓未套槍頭直接放水時,此時產生的瞬時大流量往往會超過3級泵站的設計流量,瞬時泄壓導致P6、P7迅速下降,4級泵站馬上負壓報警設備停機,3級泵站加頻加泵滿負荷運行,導致B段管網壓力下降,2級泵站開始調節流量,但由于時間上的滯后,3級泵站進水壓力P5會降到負壓下限,3級泵站停機報警,此時又進入了前面提到的循環模式,反復停機反復啟動,如此往復,沿途用戶根本無法穩定地用水。

3.3  水箱水質問題隱患

由于系統內水箱的存在,并在戶外各種天氣的考驗下增加了水質受二次污染的風險,再加上山區用戶用水量變化極大,很難保證系統內水質長時間保鮮。

3.4  水錘對系統的影響隱患較大

山區供水系統高差變化大,管道布置比較復雜,用戶用水不均勻導致的設備啟停也較頻繁,很容易產生水錘效應,且山區供水管道不比高層,山區總管口徑比高層要大得多,產生的水錘危害也是極為嚴重。

3.5  雷擊對系統的破壞時有發生

山區泵站底部幾乎全部為巖石基礎,避雷效果極難實現,南方雷雨天氣又較多,一旦被雷擊中,很難將能量傳入地下進行擴散,對設備的損害時有發生,即使設備未遭受損壞,設備頻繁的雷電報警也是較為頭疼的事情。

 

4  技術措施及對策

4.1  系統停水后恢復供水較為緩慢,我們主要從以下5個方面著手:

1)在每個泵站之間敷設光纖,建立局域網,或者利用民用寬帶,在民用互聯網開通虛擬VPN通道,從而建立每級泵站數據相互傳遞和共享的橋梁,打破信息孤島,實現設備互聯,利用信息高速公路解決傳統多級疊壓泵站信息傳遞延時性的問題。

2)在設備互聯的基礎之上,采用集控系統,取代傳統多級疊壓系統彼此獨立的控制系統。每級泵站作為從站配S7-200smart PLC,另設主站S7-1200PLC,從站和主站組建多級疊壓泵站的電控系統,實現多套設備一個大腦進行控制即聯動控制功能。正常運行時由主站PLC(S7-1200)來集中控制多級泵站運行,由WINCC組態軟件來采集和監控五臺泵站的運行參數,解決多級泵站運行時,前級泵站系統動作的滯后性。

3)在集控系統中,開發針對多級疊壓泵站的運行邏輯,運行原理上要完全匹配多級泵站的運行工況,只有這樣才能保證整個加壓系統在各種工況下運行的穩定性。傳統多級疊壓泵站是前級泵站被動響應后級泵站,集控模式下是前級泵站主動響應后級泵站,被動與主動之間,運行的穩定性截然不同。

4)供水管道距離較長,湖塘管線長度有14公里,在停水后會引起大面積空管,補充水源的時間較長。我們研究在設備出水口安裝一個電動調流閥,在水泵啟動時調流閥關小,控制它的啟泵流量,在來水充足后,慢慢調大閥門開啟度,防止前段管道被拉空。

5)設備在停機后管道可能會存在大量的空氣,一方面產生虛壓,導致泵站啟動后前端壓力劇烈變化,且影響管道的過流面;另一方面,水泵進氣,引起水泵的空轉現象,我們在設備的進出水口均安裝了排氣閥,盡可能地縮短管道內空氣的排放時間。

4.2 無法保證瞬時大流量(管網排放、消火栓取水等)的用水穩定性,我們研究解決方案有4個:

1)在集控模式下,采用變壓變流量控制模式,以圖1為例進行說明。2級泵站出口壓力采集點不再是P4,而改成了P5,2級泵站的運行是為了3級泵站進水壓力P5的穩定,P5作為2級泵站加頻或加泵的反饋信號。通過變壓變流量控制取代傳統的恒壓變頻控制,始終保證最不利點的壓力恒定,設備出水端壓力實時調節。這也是我們摒棄粗放式的傳統設計理念,逐漸向精細化設計轉變的一步。

2)我們研究在前級泵站水泵進水口增加一個超高壓氣壓罐,配合壓力變送器及流量控制閥,起到瞬時大流量的壓力補充及穩定進水壓力的作用,延緩進水壓力不足對系統產生影響的時間,給前級泵站提供一定的反應時間。

3)以圖1為例,在D段直供區出現管網進行沖洗排放或者消火栓未套槍頭直接放水時,主站PLC首先控制1級泵站加頻加泵,然后控制2級泵站加頻加泵,再控制3級泵站加頻加泵,最后控制4級泵站加頻加泵,以穩定每級泵站進水壓力,當1級泵站進水壓力接近負壓下限,此時所有泵站變頻轉定頻運行,保證管網流速不變,使1級泵站進水壓力維持在負壓下限以上,此時4級泵站始終維持定頻,不再加頻加泵,保證整個系統穩定運行,不會出現負壓停機。

4)箱式無負壓結構設計上,可以考慮在瞬時大流量下,怎么充分利用水箱的儲水。它既能對前端管網進行補水,也能對后端管網進行補水。

4.3  解決水箱水質問題:

1)對水箱形狀進行改造,傳統水箱形狀多為矩形或方形,清洗困難,不易于水的流通,容易形成“死水”。將水箱設計成球形底不銹鋼水箱,由于內壁圓滑,雜質自動沉淀排出無需人工清洗。

2)合理設計水箱的容積,將水箱合理分成兩到三個腔體,按用水量進行分腔儲水。并且結合收集的用水量大數據,把節假日的用水量和平時用水加以區分,提供不同的水箱水量,保證水箱水的循環使用,減少污染的發生。

3)箱式無負壓有定時自動更換箱內儲水的功能,時間由管理者手動設定,我們還是根據用水量數據,來設定合理的換水時間。另外還可以對液位儀進行遠程監控,如果水箱液位一段時間內未發生變化,則采取手動排放來保證水質。

4)設定自動沖洗排放功能

  因山地居民用水規律存在波動,有時甚至長時間無大量用水,水箱即使設置了強制循環依然無法將水供出,故此水箱應設置自動泄水排放閥,根據當地天氣及水箱液位變化狀態,利用余氯衰減規律數學模型在線運算結果,遠程兼本地控制對水箱進行強制泄水,保障水質安全。

4.4  降低水錘對系統的影響:

采用變頻恒壓供水,可以通過對時間的預置來延長啟動和停機過程,使動態轉矩大為減小,從而從根本上消除水錘效應。實際上,水錘出現在啟泵和停泵兩種情況下。停泵時,如果是揚程很高,泵通過關斷電源自然停止,水會逆向砸下來,形成水錘。解決的辦法是采用變頻器或軟啟動器,控制停泵的速度,這里用變頻器控制效果最佳。

由于湖塘輸水管道部分地段落差相當大,兩公里內落差約100m,管道進水時,易形成快速水氣參混兩相流,進入兩公里下游較平坦管道,則形成大氣囊附著于管頂,成為不易排氣的水氣相間的段塞流現象。這也可能加劇管道存氣發生斷流彌合水錘的危險程度。空氣柱在突然降壓時會膨脹,推動水柱運動,這樣氣推水,水推氣,形成水錘,形成大的破壞力。特別是第一次試水,必須排氣,排氣完了再停水。我們在問題1的第(2)點中采取了增加管路系統排氣閥的措施,在各處高點均設排氣閥,排氣閥采用快速進氣,緩慢排氣型,減小水錘的產生。在設備的出水口,我們加裝泄壓閥來消除水錘對設備的影響。

圖2.jpg

圖2  管道安裝排氣閥示意圖(左)       水泵安裝排氣閥示意圖(右)

另外,我們也嘗試采用了其他一些措施,比如加裝預開泄壓閥,每級泵站出水端加裝預開式泄壓裝置,在水錘產生后,利用出水水錘壓力先下降后上升的特點及時打開閥門泄水,或串聯設備產生靜壓回返,導致壓力超過上限時,預開式泄壓裝置均可打開,進行泄壓,保護管道不被損壞。

3.jpg

圖3  預開式泄壓裝置

4.5  防止雷擊對系統的破壞:

雖然屋面已設置避雷帶,但引下線未按國標要求設置(按現場建筑物的建筑面積,引下線根數應為2根對稱布置);再者控制柜的電源進線端未設置電源防雷,導致電源線路上雷電流侵入控制設備;而且現有的接地裝置不規范不合理設置,導致地電位反擊控制設備。

針對遇到的問題我們采取以下措施:

1)拆除原有的避雷引下線,重新設置2根引下線。在泵站周圍設置環形接地網,接地電阻值要求達到≦4?。泵房內設置等電位端子箱,與防雷接地用熱鍍鋅扁鐵相連接。水泵基礎、設備控制柜基礎接地樁,接地樁與等電位端子箱連接。在新建接地網的控制柜端設置接地引上點1個,并進行銅鋼轉換。電源配電箱外殼與等電位端子做好可靠連接。

2)在設備控制柜內加裝B+C復合型電源避雷器及信號避雷器,一旦發生直擊雷,只會損壞電源避雷器及信號避雷器中的一個或者兩個,這兩個避雷器相對成本低廉,況且損壞后不影響系統運行。

3)在泵房屋面安裝避雷帶,并沿外墻敷設直擊雷引下線,引下線與泵站接地網連通。

 

5、結論與展望

通過解決或緩解山區多級泵站系統所面臨的問題,有效保障了山區居民的用水安全。但部分問題尚無法進行完全消除,比如水錘問題,我們目前只能緩解,但無法真正消除。我們計劃繼續聯合各方進行深入研究,對供水系統進行改進,其實采用水箱變頻供水是最穩定的供水方式,況且在山區多級加壓系統中,水箱變頻供水并不比無負壓設備耗能,如果以上箱式無負壓的水質保障措施能產生預期的效果,我們認為多級疊壓泵站完全可以采用變頻供水取代無負壓,因為利用無負壓更多的考慮是環保、節能、省地,而當利用的壓力都為系統下端泵站產生時可直接考慮使用變頻,此時變頻接力與無負壓接力同樣節能。另外值得一提的是:山地接力系統中,一級泵站應選用無負壓,因為此時利用市政壓力是合理的,后端各級變頻設備水箱宜按照一定比例(日供水量的5%)選擇容積,再按照本文前述觀點進行變頻系統設計時,各種隱患均可消除,在新項目稽東鎮及平水鎮山區飲用水擴面工程中可以進行大膽的嘗試。

另外工業互聯技術在二次供水領域的應用,未來二次供水設備在智能性、安全性、節能性、后期運維管理等方面會有質的飛越,這方面我們與工業互聯聯盟成員之一的北京威派格進行了深入的探討合作。譬如基于工業互聯技術的智能系統平臺,能進行人員管理,讓機械代替人決策,減少中間人與人的溝通調度環節,避免人員現場診斷再調取配件導致維修時間延長的現象。再如智能系統平臺在設備管理方面,能判斷故障產生原因,監測重要零部件的運行數據,及時通知售后服務人員更換配件。智能的機器、智聯的二次供水設備,智慧的水務管理平臺也是水務人時下正在走的或者接下來必須走的一臺路。

隨著“五水共治”步伐的加快,山區飲用水擴面工程的擴大,給山區用戶用上水,用放心的水已經是公司運行的重中之重了。公司的山區多級增壓泵站系統設計及運行技術得到了省一級領導和權威技術工程師的肯定以及媒體的關注和報道。在工程中我們得出的經驗和一些有價值意義的數據參數,將進行全面統計和整理并歸納成冊供今后工程以及兄弟單位學習借鑒。接下來柯東、柯南山區飲用水擴面工程即將展開,我們也會把山區多級增壓泵站系統設計及運行技術運用到其中。爭取精益求精,努力攻克技術難關,為確保山區正常供水而默默付出,讓群眾滿意,使政府放心。

 

參考文獻:

[1] 嚴熙世,范瑾初.給水工程(第三版) [M].北京:中國建筑工業出版社:1996年.1一9

[2] 趙洪賓.給水管網系統理論與分析[J].北京:中國建筑工業出版社:2003年.33—151

[3] 李煒,徐孝平.水力學[M].武漢:武漢水利水電大學出版社:2000年.328—386

[4] 黃秉政.建筑給水二次加壓供水裝置探討[J].中國給水排水:2004年,第20卷,第11期:69-71

[5] 李英.小高層建筑二次供水技術的探討[J].科學之友.2010年2月,第6期:17-18

[6] GB50015-2003.《建筑給水排水設計規范》[S]

[7] GB50242-2002.《建筑給水排水及采暖工程施工質量驗收規范》[S]

[8] CJ/T265--2007.《無負壓給水設備》[S]

[9] 實用新型專利:預開泄壓裝置,CN 203174676 U

[10] 實用新型專利:具有超高壓腔小流量保壓功能的變頻供水設備,ZL 2015 2 0163549.2

 

 

(版權所有 轉載必須注明中國水星)
水星會員 MORE > 
  • 南方中金環境股份有限公司

    南方泵業系全國最早研發并規模化生產不銹鋼沖壓焊接離心泵企業,是目前國內不銹鋼沖壓焊接離心泵領域產銷量最大的專業生產廠家。產品的系列范圍、銷售總量、產品質量均排在國內同行業首位。也是行業內率先研制、生產、銷售管網疊壓成套設備的企業。
  • 深圳市水務科技有限公司

    水務科技由深圳水務集團的IT團隊創建于1998年10月,是國家級高新技術企業、軟件企業,由深圳水務集團全資控股,是目前中國領先的水務信息化整體解決方案供應商之一。公司以創新為靈魂,矢志成為中國水務信息化領域的思想者、創造者和領導者。
  • 深圳中壹建設工程有限公司

    深圳中壹建設工程有限公司(簡稱:中壹建設)正式創辦于2004年,是目前國內具有“大規模、高品質、精計算、尖技術、優服務”的現代化建筑裝飾企業,注冊資金8100萬元,是一家完全以建筑裝飾業而發展壯大的民營企業。
新疆时时彩500期走势 时时彩后一稳赚方案 亚洲兴发pt第一老虎机官网 双色球300期基本走势图 斗三公怎么押注赢钱 注册会员即送28元彩金 伯乐娱乐开奖查询 波克充了618还是不爆发 羽毛球直播比分在哪看 国际股票指数收盘时间 怎么样买彩票才能中大奖