自来水厂取水设计流量合理性的探讨

钱健1，汪?1，吴志成2
(1.河海大学水文水资源与环境工程学院，江苏南京210098；2.南京市自来水公司，江苏南京210002)

　　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。
　　关键词：取水；一级泵房；自流管
　　中图分类号：TU991.1
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2001)08-0043-05

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。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(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(10⁴ t) 总耗电量(10⁴ kW·h) 单位耗电量［kW·h/(10⁴ t·m)］ 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 81.8892 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=αQdT　　　　(1)
　　式中　Qr——一级泵站中水泵所供给的流量，m³/d
　　　　　Qd——供给对象夏天最高日用水量，m^3/d
　　　　　α——输水管漏损和净水构筑物自身用水而加的系数，一般取α=1.05～1.1
　　　　　T——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——泵站的扬程，kPa
　　　　　HST——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答案。以城南水厂现在用的32SA—19D(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=5 100/3 200=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30.0×10⁴m³/d的城南水厂到夏天就变成了47.7×10⁴m³/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(10⁴m³/d) 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 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116.1×10⁴m³/d，最大需水量为119.8×10⁴m³/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133.14×10⁴m³/d，最大需水量为141.1×10⁴m³/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30×10⁴m³/d，那么在冬季可供水25×10⁴m³/d；北河口水厂设计用水量为60×10⁴m³/d，那么在冬季可供水51×10⁴m³/d；上元门水厂(新厂+旧厂)设计用水量为40×10⁴m³/d，那么在冬季可供水34×10⁴ 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(10⁴m³/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 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 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=αQd(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=1.2×10⁴ m³/h，H=142 kPa。实际运行时，冬季水泵的扬程为137.2 kPa，因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=150×10⁴m³/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214.3×10⁴m³/d的水厂；北河口水厂取水管需满足新、老两厂90.0×10⁴m³/d的用水量，考虑到冬季比夏季少供水17.8%，即只要供水76.4×10⁴m³/d就可以满足用水量(大大超过夏季所需水量)。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

　　①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。
　　②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.
　　［2］GBJ 13—86，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.

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　　收稿日期：2001-03-28