自來水廠取水設計流量合理性的探討
錢健1，汪?1，吳志成2
(1.河海大學水文水資源與環境工程學院，江蘇南京210098；2.南京市自來水公司，江蘇南京210002)
摘 要：目前自來水廠一級泵房都是以夏季最高日用水量、冬季枯水位來推算要選取水泵的流量和揚程，未考慮兩者存在著時間差；自流管的選取同樣存在這樣的問題。這就使得目前以一年四季有較大水位變化的江河水為水源的絕大部分水廠一級泵房存在部分水泵閑置，基建一結束就形成資產閑置，造成資金的浪費。
關鍵詞：取水；一級泵房；自流管
中圖分類號：TU991.1
文獻標識碼：C
文章編號：1000-4602(2001)08-0043-05
1 存在的問題
南京位于長江以南，市區的供水主要由北河口水廠、上元門水廠、城南水廠這三大水廠承擔,均以長江為取水水源。正常年份的長江南京段冬、夏季水位相差7.5 m；特殊年份的冬、夏季水位相差達8.7 m。水位相差如此之大，使南京自來水公司三大水廠在運行時都出現了較大程度的水泵容量閑置。以一年中用水量較大的8月份來看，南京自來水公司的三大水廠取水泵房裝機臺數、裝機容量、開停機數及未開機容量見表1。
300 kW，3+1(備用)臺 白天：2大1小
夜晚：1大2小 開3停3 1 210 kW 33.24% 城南水廠 260 kW，2臺
200 kW，3+1(備用)臺 白天：1大2小
夜晚：1大1小 開3停2 460kW 34.8% 上元門水廠(老廠) 450 kW，2臺(大)
260 kW，1+1(備用)臺
(中)80 kW，1臺
(小)75 kW，1臺(小) 白天：2大1小
夜晚：1大
夜晚：1中
夜晚：1小 開3停2 335kW 21.3% 上元門水廠(新廠) 160 kW，3+1(備用)臺
(軸流泵) 白天：2臺
夜晚：2臺 開2停1 160kW 25.0%
從表1中可以看出，各水廠源水泵房水泵裝機臺數和容量過大，閑置的容量最高達34.8%。這就增加了水泵機組的投資，擴大了固定資產的投入，增加了與水泵配套的電機及變配電設備的投資，擴大了泵房基礎建設的投資，增加了平時維護檢修的費用，同時水泵機組的折舊費用也提高了，擴大了不應有的制水成本。從經濟的角度看，各種類型的水泵站運行所消耗的動力費用在整個給水排水系統的日常維護費用中占用了相當大的比例。以一般城鎮水廠而言，約占全國電能總耗的21.0%以上［1］，因此非常有必要關注水泵站的動力消耗情況。
由于水泵設計時考慮的是供水保證率達到90%～99%［2］的枯水期水位和夏季洪峰期的最高日用水量，故在實際運行時難以保證水泵都在高效區運行。以南京自來水公司三大水廠為例，1999年部分月份電力消耗情況如表2。
從表2可以看出，同一水廠在不同的月份，單位耗電量相差懸殊。在7月、8月用水高峰期，水泵均處在設計流量工況下，而因為揚程與設計揚程相差較大，造成單位耗電量大大上揚。因此，怎樣合理地確定設計水位、設計水量，最終選定合適的水泵，就有著非常重要的意義。
2 現行取水設計流量的規范［2］
一級泵站的設計流量為：
Qr=αQdT (1)
式中 Qr——一級泵站中水泵所供給的流量，m3/d
Qd——供給對象夏天最高日用水量，m3/d
α——輸水管漏損和凈水構筑物自身用水而加的系數，一般取α=1.05～1.1
T——一級泵站一晝夜工作的時間，h
一級泵站中水泵揚程的確定：
H=HST+∑hs+∑hd (2)
式中 H——泵站的揚程，kPa
HST——靜揚程，采用冬季設計吸水井的最低水位(或最低動水位)與凈化構筑物進口水面標高差
∑hs——吸水管路的水頭損失
∑hd——輸出管路的水頭損失
源水自流管管徑的確定：
根據最高日用水量選定自流管管徑。一般自流管取兩根，考慮到平時的檢修，規范要求每根自流管的設計進水量取總進水量的70%。設計規范中，有關一級泵房的水泵型號及臺數都是依據冬季的枯水位、夏季的最高日用水量來確定。這里忽略了兩者存在的時間差，即當供水地區冬、夏季溫差、源水水位、供水量變化大時，如此設計在水廠中會帶來諸多經濟技術的不合理性。
3 解決問題的思路
3.1 改變水泵選型的設計參數
造成源水泵房裝機臺數和容量過大的原因可從以下的分析中找到答案。以城南水廠現在用的32SA—19D(見圖1)為例，考慮的是同一臺水泵在不同長江水位時的取水量變化情況。源水泵的揚程主要取決于反應池與長江水面水位的高差，而反應池水面標高是定值，因此源水泵的出水量主要取決于長江水位高低。
水廠反應池水面標高13.5 m，加上水頭損失和工作水壓共計16.5 m。冬季長江水位標高一般為2.5 m,夏季長江水位標高一般為9.5 m。因此，冬季水泵總揚程為Ha=137.2 kPa，出水量為3 200m3/h(53.3m3/min)；夏季水泵總揚程為Ha=68.6 kPa，出水量為5 100m3/h(85.0m3/min)，夏季出水量/冬季出水量=5 100/3 200=1.59,也就是說同一臺水泵，夏季出水量是冬季出水量的1.59倍。若按冬季的最低長江水位選泵，設計規模為30.0×104m3/d的城南水廠到夏天就變成了47.7×104m3/d規模的水廠，而在要求的供水量未變的情況下，水泵的閑置容量就有可能達到34.8%。
長江水位最低的時候是在冬季，而冬季是全年用水量最少的季節。長江水位最高的時候發生在夏季，而夏季是全年用水量最多的季節。1999年冬季和夏季的南京市日供水量與長江水位變化情況見表3、4，從中可見用水量相差多少。
從表3中可以看出，冬季1月—2月的最低水位為2.54 m，1月—2月的平均需水量為116.1×104m3/d，最大需水量為119.8×104m3/d。從表4中可以看出，夏季7月—8月的最高水位為9.58 m，7月—8月的平均需水量為133.14×104m3/d，最大需水量為141.1×104m3/d。因此夏季需水量是冬季的1.178倍。照上述結果推算，城南水廠設計用水量為30×104m3/d，那么在冬季可供水25×104m3/d；北河口水廠設計用水量為60×104m3/d，那么在冬季可供水51×104m3/d；上元門水廠(新廠+舊廠)設計用水量為40×104m3/d，那么在冬季可供水34×104 m3/d。
由于在水廠設計時，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%，當夏季長江水位高時，就更能多出水。這里隨即又出現一個問題，如果扣除冬季比夏季少供的17.8%水量，并以冬季的水位、冬季的出水量來選取泵，那么在夏季能否達到出水量的要求?前面提到的一臺水泵，在冬、夏季長江水位變化為7 m時，夏季的出水量是冬季的1.59倍，這個數字遠遠超過1.178倍的要求。筆者調查了南京市各個水廠在一年中各個月份的供水情況與水位情況，各臺水泵基本上都能滿足這樣的要求，所以根本不必擔心按冬季平均供水量所選的泵在夏季出水量不夠的問題。
在上述情況下，筆者建議一級泵站設計流量參數的選取可以參照下面公式：
Qr=αQd(1-p)T (3)
式中 p——冬季比夏季少供水量的百分數
揚程參數的選取還是按照式(2)來計算。
3.2 正確選用泵型
由于選泵時主要考慮的是冬天的水位與夏天的用水量，故選用泵的揚程與冬季運行時實際所需揚程相差不大。但是，夏季所需揚程與水泵的高效揚程懸殊就很大了。以北河口水廠在用的1 200 CDM泵為例(見圖2)，可以看出水泵運行效率最高的那一個點為Q=1.2×104 m3/h，H=142 kPa。實際運行時，冬季水泵的揚程為137.2 kPa，因而冬天水泵運行時效率較高，較省電；隨著長江水位的變化，夏天所需的揚程變為只需要68.6 kPa，與圖中的特性曲線相對照，已經不在水泵運行的高效區范圍內。
另外，水泵所選用電機的功率也是與枯水位的揚程、洪水水位時的用水量直接關聯的。因此，在冬季運行時，水泵雖然在高效區工作，但由于實際流量未達到設計流量，也即實際所需的電機功率偏小，造成許多功率白白浪費，而這些功率要耗費很多的電量，夏季就更不用說了。
如果在選泵時考慮到實際的揚程與實際的用水量，采用冬季的枯水位與枯水位時的水量，所選用泵的特性曲線類似圖3，那么可望大大節省耗電量。例如，每臺泵冬季枯水位時揚程為H=137.2 kPa，用水量并未采用最高水量，而是扣除了冬季比夏季少供的水量，折算到一臺泵取Q=8 000m3/h。夏季H=68.6 kPa，最高出水量折算到一臺泵取Q=1.3 ×104m3/h。若選擇具有類似圖3特性曲線的泵，并在冬季運行，水泵在高效區范圍內的揚程較大、流量較小的工況點處運行，查圖3效率可達到80%左右。當在夏季運行時，水泵在高效區范圍內揚程較小、流量較大的工況點處運行，查圖3效率可達到83%左右。因為水泵在實際運行時，其在枯水位和洪水位運行的時間相對于全年來講所占的份額不大，大部分時間還是在常水位工作，按上述方法所選的泵，水泵在常水位運行時十分接近最高效率點，因此水泵在整個運行期間將比原先大大節約電能。
3.3 正確選擇取水自流管直徑
通常按規范設計自流管時，考慮的吸水井的水位基本是：長江水位減去自流管中的水頭損失，最后得出的數值與長江水位相差不大。按這個思路，如果設計時考慮吸水井水位是常水位(通常低于枯水位)，在這個基礎上再考慮不同季節的用水量和水位的關系。冬季枯水位時，需水量少，水位較低，自流管進水量少；夏天高水位時，需水量大，但水位較高，自流管進水量多。那么，在長江水冬、夏季水位變化較大的情況下，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變水位)、冬季的用水量來設計自流管的管徑。最后要用夏季水位和水量來校核所用管徑是否合適。
以南京北河口水廠為例，自流管采用兩根直徑為2 400 mm的鋼管，頂部埋設在百年一遇的最低水位(1.54 m)下1.03 m，設計吸水井水位為定值：0.2 m，具體尺寸見圖4。
冬季枯水位自流管兩端的水壓差為13 kPa，根據計算，一根直徑為2 400 mm的鋼管，進水量Qd=150×104m3/d。從設計規范來講，當一根自流管有故障時，另一根自流管按規范要通過70%的用水量，上面計算的這根水管可以滿足一個規模為214.3×104m3/d的水廠；北河口水廠取水管需滿足新、老兩廠90.0×104m3/d的用水量，考慮到冬季比夏季少供水17.8%，即只要供水76.4×104m3/d就可以滿足用水量(大大超過夏季所需水量)。兩根長為71 m的管子，管徑從2.4 m縮小為1.5 m，可以節約幾十萬元的投資。
綜上所述，在地表水河床式自流管取水的水廠設計中，若均能按此建議，人為控制集水井為某一常水位，用枯水位對應的冬季平均需水量設計進水鋼管，則經濟效益是可觀的。
4 結論
①當水廠水源的水位變幅較大，水泵的揚程冬、夏季相差49 kPa左右，冬、夏季的供水量差在20%左右，就應該通過式(3)優先按冬季水源水位和冬季的供水量來計算并選取泵型。以立項設計規模供水量和初夏時供水量突然增大的月份校核已選的泵，看能否滿足供水量的要求。
②自流管管徑的確定同樣要看水源水位的變化情況。在水位變幅較大時，可以人為地將吸水井水位看作是一個常水位，以冬季的用水量和水位計算出單根自流管的經濟管徑，然后選用夏天的水位、水量來校核所選的自流管管徑是否滿足設計的要求。
參考文獻：
［1］姜乃昌. 水泵及水泵站(第3版)［M］.北京：中國建筑工業出版社，1993.
［2］GBJ 13—86，室外給水設計規范［S］.
［3］城市給水.見：給水排水設計手冊(第3冊)［M］.北京：中國建筑工業出版社，1995.
［4］常用設備.見：給水排水設計手冊(第11冊)［M］.北京：中國建筑工業出版社，1995.
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收稿日期：2001-03-28
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