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山区多级增压泵站系统设计及安全运行的思考
更新时间:2018-12-03 来源:绍兴柯桥供水有限公司 作者:王培永 祝永江 周建强

摘要:本文以湖塘山区多级叠压供水系统为研究对象,通过对系统的运行情况进行长时间的观察,对发现的各种问题进行分析,有针对性地提出了改进技术措施,大大提升了系统的稳定性与安全性,为今后继续开展山区农村饮用水供水工程打下了扎实的理论及实践基础。

关键词:山区;农村供水;加压泵站;叠压供水;设计

 

1  前言

农村饮用水安全问题一直是国家及各级政府高度重视和极力解决的一项重点工作,利用城市给水管网延伸使农村用上城市自来水是解决农民饮用水安全问题最彻底、最有效、最可靠的方法。山区地理特殊,条件复杂,供水系统的设计及建设运行管理与平原地区有很大不同,有着更高的标准和要求。本文从山区多级增压供水系统的设计入手,对供水系统存在的如供水可靠性较低、水锤危害、雷击破坏等问题进行了深入的分析和探讨,并有针对性的提出了一些技术措施和对策,以使供水系统更加安全可靠。

 

2  多级增压方式的选择

山区主要特点就是海拔高,在城市供水中高地供水一般的传统增压泵站由清水池、吸水井、泵房等构筑物组成,这种模式投资大,占地多,建设工期长,易产生水池二次污染,一般也需要人工值班,不便于管理控制,但最大的优点是供水可靠性高。

对于山区农村高地供水,也可采用建筑二次供水的模式,有两种方式,第一种方式为水池+变频供水或水池+变频供水+水箱,第二种方式为叠压供水方式。第一种方式与传统泵站相似,第二种方式投资少、占地小、建设快,能避免水质二次污染,集成度高,便于控制和管理,无需人工值班,最大缺点是供水可靠性较低,尤其是消防用水、管道冲洗等非正常用水时可靠性很低。

借着浙江省政府“五水共治”的契机,我们在山区饮用水扩面工程中大胆尝试了水箱与叠压供水设备的结合产品—箱式无负压,利用水箱的蓄水性缓解叠压供水设备对管网的冲击,利用叠压供水设备的密闭性消除水箱的二次污染隐患,两者相得益彰。

箱式无负压相比传统变频水箱或水池占地面积小,在各种工况下都能利用前端管网压力,能节约功耗,后期进行水箱清洗时,设备也能持续供水;相比罐式无负压,箱式无负压的调蓄能力针对接力泵站在可靠性方面更优越。

本文的研究对象为湖塘山区多级叠压供水系统,该系统于2014年建成投运,涉及供水户数2600户,最高海拔145米,总管长度15公里,由四套无负压供水设备串联叠压供水,其中1#3#泵站为箱式无负压,2#4#泵站为罐式无负压,1#、2#、3#、4#泵站之间都有直供区存在。

 

3  问题分析

根据目前湖塘山区多级叠压供水系统的使用情况,经过近一年的观察,该系统在正常供水时,多级叠压系统稳定性尚好,但也存在着一些问题,需要进行深化的分析。

3.1  系统停水后恢复供水较为缓慢

无负压多级叠压泵站在山地接力供水遇到停电、管网检修或停水一段时间之后,管道内的水由于直供区的持续使用,或者管网本身的跑冒滴漏渗,会逐渐被放空。等待电力恢复正常或者前端管网压力恢复正常之后,每级泵站的控制系统自动重新启动,此时会先由一级泵站开始,然后逐级对管网内注水。但是由于每套设备各自独立运行,相互没有关联,由设备前后端压力控制设备的启停及水泵运行频率和运行台数,后级泵站在重新启动时为满足后端空管需求必然会全频率运行,将前端管道内的水全部拉空,而前级泵站又无法及时反应将管段内的水补满,导致后级泵站负压报警而停机。如此反复,大大延长了系统恢复供水的时间,且如此高频率的启停,对设备的损害也极为严重。经观察,该套系统从重新启动到恢复供水需要一个小时,每套设备启停平均约需20次。

以上现象的出现,归根索源是因为针对民用住宅设计的无负压恒压变频运行原理及控制逻辑,并不适应多级叠压泵站复杂的运行工况。我们先简单看下无负压恒压变频运行原理:为保护前端管网压力,设备会设置负压下限h1,当进水压力低于负压下限时,设备停机;当前端压力恢复,设备重新启动,变频器开始运转启动主泵,当出口压力达到设定压力h2时,电机转速稳定,系统达到平衡。随着用水量的增大,出水压力下降,水泵加频,但出水压力依然下降直至低于压力下限h3,此时设备延时加泵,从而保证出水压力稳定。当用水量开始减小,出水压力高于压力上限h4,变频泵随之减速,工频泵延时减泵。

图片1.jpg

图1 多级叠压泵站示意图

目前,基本上所有的接力泵站的控制系统都是独立的,彼此运行的数据无法进行共享,1级、2级…N级泵站之间的关联纽带只有管道压力,单一、脆弱。一旦因不确定的因素导致流量变化,从而引起压力震荡,那么前一级泵站的压力波动会向后一级传导,压力波动呈扩大趋势,势必会对设备的运行产生影响,导致整个系统运行不平稳。结合图1,我们看下基于恒压变频运行原理的4套独立系统,应用在4级叠压泵站上停机重启过程:1级泵站前端压力P1恢复正常,设备自动启动,A段管道部分空管,1级泵站出水压力P2一般会低于压力下限,此时水泵加频并且延时加泵,使P2升高达到设定压力,由于工频泵尚未减泵,P2继续升高很快超过压力上限,此时1级泵站开始降频减泵;当P2升高达到设定压力,P3也恢复,2级泵站启动,此时B段大部分空管,P4过低,水泵迅速加频并且加泵从A段管网取水,使P4达到设定压力,但会导致A段管网压力迅速下降,此时1级泵站可能已经减泵, P2将压力下降的信号反馈到1级泵站控制系统,系统再控制水泵加频,然后加泵进行补压。这中间有个问题,那就是2级泵站从A段管网取水,首先是P3检测到压力下降的信号,然后P2会检测到压力下降的信号并反馈到1级泵站控制系统,1级泵站控制系统再控制加频、加泵,从P3压力下降到1级泵站水泵加泵这之间需要时间,这段时间内P3就可能低于负压下限,导致2级泵站停机,然后P3马上升高,2级泵站再次启动,P3再次降低,然后加频加泵,如此反复,直至2级泵站出水压力高于压力下限达到给定压力,C、D段管道也是如此。

所以就出现了多级叠压泵站在停水后再恢复持续稳定的供水,整个系统需要多次启停,时间上很长,设备的故障率增加,并且影响电器元件及水泵的机械寿命。连接纽带的单一性,信息传递的延时性,系统动作的滞后性,彼此运行工况的不互通性,乃是问题的根本。

3.2  无法保证瞬时大流量(管网排放、消火栓取水等)的用水稳定性

叠压泵站之间多有直供区,直供区的黄海标高一般要低于后级泵站的黄海标高,当直供区的流量发生变化时会直接影响多级泵站的运行稳定性,直供区包括生活供水、消防供水和管道冲洗。

当常规生活用水流量突然增大时,我们以图1C段管道为例进行说明,3级泵站加频或加泵来维持出水压力P6稳定在给定压力,但是由于直供区取水量增大,导致C段流速增大,管损也随之增大,那么4级泵站进水压力P7会下降,这就有可能会对4级泵站的稳定运行产生影响。也就是说,3级泵站的恒压变频控制在直供区的流量产生变化时,不能保证4级泵站进水压力的稳定。

当管网进行冲洗排放或者消火栓未套枪头直接放水时,此时产生的瞬时大流量往往会超过3级泵站的设计流量,瞬时泄压导致P6、P7迅速下降,4级泵站马上负压报警设备停机,3级泵站加频加泵满负荷运行,导致B段管网压力下降,2级泵站开始调节流量,但由于时间上的滞后,3级泵站进水压力P5会降到负压下限,3级泵站停机报警,此时又进入了前面提到的循环模式,反复停机反复启动,如此往复,沿途用户根本无法稳定地用水。

3.3  水箱水质问题隐患

由于系统内水箱的存在,并在户外各种天气的考验下增加了水质受二次污染的风险,再加上山区用户用水量变化极大,很难保证系统内水质长时间保鲜。

3.4  水锤对系统的影响隐患较大

山区供水系统高差变化大,管道布置比较复杂,用户用水不均匀导致的设备启停也较频繁,很容易产生水锤效应,且山区供水管道不比高层,山区总管口径比高层要大得多,产生的水锤危害也是极为严重。

3.5  雷击对系统的破坏时有发生

山区泵站底部几乎全部为岩石基础,避雷效果极难实现,南方雷雨天气又较多,一旦被雷击中,很难将能量传入地下进行扩散,对设备的损害时有发生,即使设备未遭受损坏,设备频繁的雷电报警也是较为头疼的事情。

 

4  技术措施及对策

4.1  系统停水后恢复供水较为缓慢,我们主要从以下5个方面着手:

1)在每个泵站之间敷设光纤,建立局域网,或者利用民用宽带,在民用互联网开通虚拟VPN通道,从而建立每级泵站数据相互传递和共享的桥梁,打破信息孤岛,实现设备互联,利用信息高速公路解决传统多级叠压泵站信息传递延时性的问题。

2)在设备互联的基础之上,采用集控系统,取代传统多级叠压系统彼此独立的控制系统。每级泵站作为从站配S7-200smart PLC,另设主站S7-1200PLC,从站和主站组建多级叠压泵站的电控系统,实现多套设备一个大脑进行控制即联动控制功能。正常运行时由主站PLC(S7-1200)来集中控制多级泵站运行,由WINCC组态软件来采集和监控五台泵站的运行参数,解决多级泵站运行时,前级泵站系统动作的滞后性。

3)在集控系统中,开发针对多级叠压泵站的运行逻辑,运行原理上要完全匹配多级泵站的运行工况,只有这样才能保证整个加压系统在各种工况下运行的稳定性。传统多级叠压泵站是前级泵站被动响应后级泵站,集控模式下是前级泵站主动响应后级泵站,被动与主动之间,运行的稳定性截然不同。

4)供水管道距离较长,湖塘管线长度有14公里,在停水后会引起大面积空管,补充水源的时间较长。我们研究在设备出水口安装一个电动调流阀,在水泵启动时调流阀关小,控制它的启泵流量,在来水充足后,慢慢调大阀门开启度,防止前段管道被拉空。

5)设备在停机后管道可能会存在大量的空气,一方面产生虚压,导致泵站启动后前端压力剧烈变化,且影响管道的过流面;另一方面,水泵进气,引起水泵的空转现象,我们在设备的进出水口均安装了排气阀,尽可能地缩短管道内空气的排放时间。

4.2 无法保证瞬时大流量(管网排放、消火栓取水等)的用水稳定性,我们研究解决方案有4个:

1)在集控模式下,采用变压变流量控制模式,以图1为例进行说明。2级泵站出口压力采集点不再是P4,而改成了P5,2级泵站的运行是为了3级泵站进水压力P5的稳定,P5作为2级泵站加频或加泵的反馈信号。通过变压变流量控制取代传统的恒压变频控制,始终保证最不利点的压力恒定,设备出水端压力实时调节。这也是我们摒弃粗放式的传统设计理念,逐渐向精细化设计转变的一步。

2)我们研究在前级泵站水泵进水口增加一个超高压气压罐,配合压力变送器及流量控制阀,起到瞬时大流量的压力补充及稳定进水压力的作用,延缓进水压力不足对系统产生影响的时间,给前级泵站提供一定的反应时间。

3)以图1为例,在D段直供区出现管网进行冲洗排放或者消火栓未套枪头直接放水时,主站PLC首先控制1级泵站加频加泵,然后控制2级泵站加频加泵,再控制3级泵站加频加泵,最后控制4级泵站加频加泵,以稳定每级泵站进水压力,当1级泵站进水压力接近负压下限,此时所有泵站变频转定频运行,保证管网流速不变,使1级泵站进水压力维持在负压下限以上,此时4级泵站始终维持定频,不再加频加泵,保证整个系统稳定运行,不会出现负压停机。

4)箱式无负压结构设计上,可以考虑在瞬时大流量下,怎么充分利用水箱的储水。它既能对前端管网进行补水,也能对后端管网进行补水。

4.3  解决水箱水质问题:

1)对水箱形状进行改造,传统水箱形状多为矩形或方形,清洗困难,不易于水的流通,容易形成“死水”。将水箱设计成球形底不锈钢水箱,由于内壁圆滑,杂质自动沉淀排出无需人工清洗。

2)合理设计水箱的容积,将水箱合理分成两到三个腔体,按用水量进行分腔储水。并且结合收集的用水量大数据,把节假日的用水量和平时用水加以区分,提供不同的水箱水量,保证水箱水的循环使用,减少污染的发生。

3)箱式无负压有定时自动更换箱内储水的功能,时间由管理者手动设定,我们还是根据用水量数据,来设定合理的换水时间。另外还可以对液位仪进行远程监控,如果水箱液位一段时间内未发生变化,则采取手动排放来保证水质。

4)设定自动冲洗排放功能

  因山地居民用水规律存在波动,有时甚至长时间无大量用水,水箱即使设置了强制循环依然无法将水供出,故此水箱应设置自动泄水排放阀,根据当地天气及水箱液位变化状态,利用余氯衰减规律数学模型在线运算结果,远程兼本地控制对水箱进行强制泄水,保障水质安全。

4.4  降低水锤对系统的影响:

采用变频恒压供水,可以通过对时间的预置来延长启动和停机过程,使动态转矩大为减小,从而从根本上消除水锤效应。实际上,水锤出现在启泵和停泵两种情况下。停泵时,如果是扬程很高,泵通过关断电源自然停止,水会逆向砸下来,形成水锤。解决的办法是采用变频器或软启动器,控制停泵的速度,这里用变频器控制效果最佳。

由于湖塘输水管道部分地段落差相当大,两公里内落差约100m,管道进水时,易形成快速水气参混两相流,进入两公里下游较平坦管道,则形成大气囊附着于管顶,成为不易排气的水气相间的段塞流现象。这也可能加剧管道存气发生断流弥合水锤的危险程度。空气柱在突然降压时会膨胀,推动水柱运动,这样气推水,水推气,形成水锤,形成大的破坏力。特别是第一次试水,必须排气,排气完了再停水。我们在问题1的第(2)点中采取了增加管路系统排气阀的措施,在各处高点均设排气阀,排气阀采用快速进气,缓慢排气型,减小水锤的产生。在设备的出水口,我们加装泄压阀来消除水锤对设备的影响。

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图2  管道安装排气阀示意图(左)       水泵安装排气阀示意图(右)

另外,我们也尝试采用了其他一些措施,比如加装预开泄压阀,每级泵站出水端加装预开式泄压装置,在水锤产生后,利用出水水锤压力先下降后上升的特点及时打开阀门泄水,或串联设备产生静压回返,导致压力超过上限时,预开式泄压装置均可打开,进行泄压,保护管道不被损坏。

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图3  预开式泄压装置

4.5  防止雷击对系统的破坏:

虽然屋面已设置避雷带,但引下线未按国标要求设置(按现场建筑物的建筑面积,引下线根数应为2根对称布置);再者控制柜的电源进线端未设置电源防雷,导致电源线路上雷电流侵入控制设备;而且现有的接地装置不规范不合理设置,导致地电位反击控制设备。

针对遇到的问题我们采取以下措施:

1)拆除原有的避雷引下线,重新设置2根引下线。在泵站周围设置环形接地网,接地电阻值要求达到≦4Ω。泵房内设置等电位端子箱,与防雷接地用热镀锌扁铁相连接。水泵基础、设备控制柜基础接地桩,接地桩与等电位端子箱连接。在新建接地网的控制柜端设置接地引上点1个,并进行铜钢转换。电源配电箱外壳与等电位端子做好可靠连接。

2)在设备控制柜内加装B+C复合型电源避雷器及信号避雷器,一旦发生直击雷,只会损坏电源避雷器及信号避雷器中的一个或者两个,这两个避雷器相对成本低廉,况且损坏后不影响系统运行。

3)在泵房屋面安装避雷带,并沿外墙敷设直击雷引下线,引下线与泵站接地网连通。

 

5、结论与展望

通过解决或缓解山区多级泵站系统所面临的问题,有效保障了山区居民的用水安全。但部分问题尚无法进行完全消除,比如水锤问题,我们目前只能缓解,但无法真正消除。我们计划继续联合各方进行深入研究,对供水系统进行改进,其实采用水箱变频供水是最稳定的供水方式,况且在山区多级加压系统中,水箱变频供水并不比无负压设备耗能,如果以上箱式无负压的水质保障措施能产生预期的效果,我们认为多级叠压泵站完全可以采用变频供水取代无负压,因为利用无负压更多的考虑是环保、节能、省地,而当利用的压力都为系统下端泵站产生时可直接考虑使用变频,此时变频接力与无负压接力同样节能。另外值得一提的是:山地接力系统中,一级泵站应选用无负压,因为此时利用市政压力是合理的,后端各级变频设备水箱宜按照一定比例(日供水量的5%)选择容积,再按照本文前述观点进行变频系统设计时,各种隐患均可消除,在新项目稽东镇及平水镇山区饮用水扩面工程中可以进行大胆的尝试。

另外工业互联技术在二次供水领域的应用,未来二次供水设备在智能性、安全性、节能性、后期运维管理等方面会有质的飞越,这方面我们与工业互联联盟成员之一的北京威派格进行了深入的探讨合作。譬如基于工业互联技术的智能系统平台,能进行人员管理,让机械代替人决策,减少中间人与人的沟通调度环节,避免人员现场诊断再调取配件导致维修时间延长的现象。再如智能系统平台在设备管理方面,能判断故障产生原因,监测重要零部件的运行数据,及时通知售后服务人员更换配件。智能的机器、智联的二次供水设备,智慧的水务管理平台也是水务人时下正在走的或者接下来必须走的一台路。

随着“五水共治”步伐的加快,山区饮用水扩面工程的扩大,给山区用户用上水,用放心的水已经是公司运行的重中之重了。公司的山区多级增压泵站系统设计及运行技术得到了省一级领导和权威技术工程师的肯定以及媒体的关注和报道。在工程中我们得出的经验和一些有价值意义的数据参数,将进行全面统计和整理并归纳成册供今后工程以及兄弟单位学习借鉴。接下来柯东、柯南山区饮用水扩面工程即将展开,我们也会把山区多级增压泵站系统设计及运行技术运用到其中。争取精益求精,努力攻克技术难关,为确保山区正常供水而默默付出,让群众满意,使政府放心。

 

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[8] CJ/T265--2007.《无负压给水设备》[S]

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