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山區多級增壓泵站系統設計及安全運行的思考
百度彩票app:2018-12-03 來源:紹興柯橋供水有限公司 作者:王培永 祝永江 周建强

摘要:本文以湖塘山區多級疊壓供水系統爲研究對象,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,爲今後繼續開展山區農村飲用水供水工程打下了紮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,條件複雜,供水系統的設計及建設運行管理與平原地區有很大不同,有著更高的標准和要求。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,並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  多级增压方式的选择

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、泵房等構築物組成,這種模式投資大,占地多,建設工期長,易産生水池二次汙染,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,也可采用建築二次供水的模式,有兩種方式,第一種方式爲水池+變頻供水或水池+變頻供水+水箱,第二種方式爲疊壓供水方式。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,能避免水質二次汙染,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産品—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汙染隱患,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,後期進行水箱清洗時,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。

本文的研究對象爲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公裏,由四套無負壓供水設備串聯疊壓供水,其中1#3#泵站爲箱式無負壓,2#4#泵站爲罐式無負壓,1#、2#、3#、4#泵站之間都有直供區存在。

 

3  问题分析

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  系统停水后恢复供水较为缓慢

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後,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。等待電力恢複正常或者前端管網壓力恢複正常之後,每級泵站的控制系統自動重新啓動,此時會先由一級泵站開始,然後逐級對管網內注水。但是由于每套設備各自獨立運行,相互沒有關聯,由設備前後端壓力控制設備的啓停及水泵運行頻率和運行台數,後級泵站在重新啓動時爲滿足後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,導致後級泵站負壓報警而停機。如此反複,大大延長了系統恢複供水的時間,且如此高頻率的啓停,對設備的損害也極爲嚴重。經觀察,該套系統從重新啓動到恢複供水需要一個小時,每套設備啓停平均約需20次。

以上現象的出現,歸根索源是因爲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,並不適應多級疊壓泵站複雜的運行工況。我們先簡單看下無負壓恒壓變頻運行原理:爲保護前端管網壓力,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;當前端壓力恢複,設備重新啓動,變頻器開始運轉啓動主泵,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。

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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。结合圖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。

所以就出現了多級疊壓泵站在停水後再恢複持續穩定的供水,整個系統需要多次啓停,時間上很長,設備的故障率增加,並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,系統動作的滯後性,彼此運行工況的不互通性,乃是問題的根本。

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

疊壓泵站之間多有直供區,直供區的黃海標高一般要低于後級泵站的黃海標高,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段管道爲例進行說明,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,那麽4級泵站進水壓力P7會下降,這就有可能會對4級泵站的穩定運行産生影響。也就是說,3級泵站的恒壓變頻控制在直供區的流量産生變化時,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,此時産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,但由于時間上的滯後,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,反複停機反複啓動,如此往複,沿途用戶根本無法穩定地用水。

3.3  水箱水质问题隐患

由于系統內水箱的存在,並在戶外各種天氣的考驗下增加了水質受二次汙染的風險,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  水锤对系统的影响隐患较大

山區供水系統高差變化大,管道布置比較複雜,用戶用水不均勻導致的設備啓停也較頻繁,很容易産生水錘效應,且山區供水管道不比高層,山區總管口徑比高層要大得多,産生的水錘危害也是極爲嚴重。

3.5  雷击对系统的破坏时有发生

山區泵站底部幾乎全部爲岩石基礎,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爲頭疼的事情。

 

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後級泵站,集控模式下是前級泵站主動響應後級泵站,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公裏,在停水後會引起大面積空管,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,在水泵啓動時調流閥關小,控制它的啓泵流量,在來水充足後,慢慢調大閥門開啓度,防止前段管道被拉空。

5)設備在停機後管道可能會存在大量的空氣,一方面産生虛壓,導致泵站啓動後前端壓力劇烈變化,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 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,以圖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産生影響的時間,給前級泵站提供一定的反應時間。

3)以圖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)箱式無負壓結構設計上,可以考慮在瞬時大流量下,怎麽充分利用水箱的儲水。它既能對前端管網進行補水,也能對後端管網進行補水。

4.3  解决水箱水质问题:

1)對水箱形狀進行改造,傳統水箱形狀多爲矩形或方形,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鏽鋼水箱,由于內壁圓滑,雜質自動沈澱排出無需人工清洗。

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。並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,減少汙染的發生。

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  降低水锤对系统的影响:

采用變頻恒壓供水,可以通過對時間的預置來延長啓動和停機過程,使動態轉矩大爲減小,從而從根本上消除水錘效應。實際上,水錘出現在啓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啓動器,控制停泵的速度,這裏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,兩公裏內落差約100m,管道進水時,易形成快速水氣參混兩相流,進入兩公裏下遊較平坦管道,則形成大氣囊附著于管頂,成爲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,減小水錘的産生。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。

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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,在水錘産生後,利用出水水錘壓力先下降後上升的特點及時打開閥門泄水,或串聯設備産生靜壓回返,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。

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圖3  預開式泄壓裝置

4.5  防止雷击对系统的破坏:

雖然屋面已設置避雷帶,但引下線未按國標要求設置(按現場建築物的建築面積,引下線根數應爲2根對稱布置);再者控制櫃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範不合理設置,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、設備控制櫃基礎接地樁,接地樁與等電位端子箱連接。在新建接地網的控制櫃端設置接地引上點1個,並進行銅鋼轉換。電源配電箱外殼與等電位端子做好可靠連接。

2)在設備控制櫃內加裝B+C複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,況且損壞後不影響系統運行。

3)在泵房屋面安裝避雷帶,並沿外牆敷設直擊雷引下線,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,水箱變頻供水並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産生預期的效果,我們認爲多級疊壓泵站完全可以采用變頻供水取代無負壓,因爲利用無負壓更多的考慮是環保、節能、省地,而當利用的壓力都爲系統下端泵站産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,因爲此時利用市政壓力是合理的,後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、後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台,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。再如智能系統平台在設備管理方面,能判斷故障産生原因,監測重要零部件的運行數據,及時通知售後服務人員更換配件。智能的機器、智聯的二次供水設備,智慧的水務管理平台也是水務人時下正在走的或者接下來必須走的一台路。

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並歸納成冊供今後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,爲確保山區正常供水而默默付出,讓群衆滿意,使政府放心。

 

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