直接式管网叠压供水的优化设计

直接式管网叠压供水的优化设计樊建军1,　王　峰2,　胡晓东1,　张朝升1,　周　鸿1(1.广州大学土木工程学院,广东广州510405;2.华南理工大学建筑设计研究院,广东广州510641) 摘　要:　对直接式管网叠压供水技术进行了分析,指出了设计不合理时可能出现的工程隐患及相应的预防措施,强调了合理确定市政管网最低压力的重要性,提出了机组配置与运行的优化设计思路。

关键词:　管网叠压供水;　二次污染;　节能中图分类号:T U991.2 文献标识码:C 文章编号:1000-4602(2005)05-0059-03O pti m i za ti on D esi gn of Pressure2superposed W a ter Supply i nD i rect P i pe NetworkF AN J ian2jun1,　WANG Feng2,　HU Xiao2dong1,　Z HANG Chao2sheng1,　Z HOU Hong1(1.School of C ivil Engineering,Guangzhou U n iversity,Guanzhou510405,China;2.A rch.D esign and R es.Institute of South China U niv.of Tech.,Guangzhou510641,China) Abstract:　The p ressure2super posed water supp ly in direct p i pe net w ork was analyzed.It was f ound that hidden tr ouble may occur in case of unreas onable design;and p reventive measures were p r o2 posed.It was i m portant t o reas onably deter m ine the m ini m um p ressure in the munici pal net w ork,and the ideas on op ti m izing the all ocati on and operati on of machine units were als o p resented. Key words:　p ressure2super posed water supp ly in p i pe net w ork;　secondary polluti on;　energy saving 二次加压供水方式普遍应用于城市生活供水系统,气压供水设备和变频调速供水设备都不能有效地避免水泵抽水时市政管网产生负压的问题,所以市政供水部门一般不允许加压水泵从管网直接抽水,需要设置贮水池。

直接式管网叠压供水技术是对传统二次供水技术的革新,在市政管网压力允许的情况下,管网叠压供水设备可取消贮水池,直接从市政管网中取水增压。

此项技术于20世纪90年代末由日本研发,目前已在日本、美国、西欧等国家得到普遍应用,在我国尚处起步阶段。

1　设备的组成与工作原理直接式管网叠压供水系统主要由水泵、稳压平衡器和变频数控柜组成,取消了贮水池和屋顶水箱,水泵直接从与自来水管网连接的稳压平衡器吸水加压,然后送至各用水点,其系统组成如图1所示。

图1　直接式管网叠压供水系统Fig.1　D irect net w ork p ressure2super positi on watersupp ly syste m第21卷　第5期2005年5月 中国给水排水CH I N A WATER&WASTE WATERVol.21No.5May2005直接式管网叠压供水系统的工作原理分以下几种情况:①　在自来水管网的水压能满足用水要求的情况下,即管网压力大于或等于设定压力时,加压水泵停止工作,自来水可通过旁通管直接到达用水点。

②　当自来水管网水压不能满足用水要求时,电接点压力表向变频数控柜发出信号,变频软起动水泵机组加压供水,直至实际供水压力等于设定压力时,变频数控柜控制水泵机组以恒定转速运行。

③　在用水高峰期间,用户管网压力下降,当降到低于设定压力时远传压力表发出信号给变频数控柜,使变频器频率升高,水泵机组转速增加,出水量和压力都随之上升,直至用户实际压力值等于设定压力值。

④　在用水低谷期间,用户管网压力上升,当高于设定压力值时远传压力表发出信号给变频数控柜,变频器频率降低,水泵机组转速降低,使用户管网实际压力值等于设定压力值。

若水泵机组已无实际流量,水泵处于空转状态则水泵机组自动停止工作。

自来水直接通过旁通管到达用户。

⑤　对稳压平衡器来说,如果自来水的进水量大于或等于水泵机组的供水量则负压消除器使稳压平衡器与外界隔绝,维持正常供水。

当这种状态被破坏时ZP膜滤负压消除器使稳压平衡器与外界相通,破坏负压的形成,从而确保自来水管网的正常供水,不影响其他用户的供水。

⑥　当自来水管网停水时,因为稳压平衡器具有部分调节容积,水泵机组仍可继续工作一段时间,当稳压平衡器的水位降至液位控制器所设定的水位时则自动停机,来水后随着水位的上升而自动开机。

⑦　停电时水泵不工作,自来水直接通过旁通管到达低层用户,保证楼层较低的部分用户用水,来电时水泵机组自动开机,恢复所有用户的正常供水。

与传统的二次供水相比,直接式管网叠压供水具有节约能源、运行成本低、节省投资、占地面积小、管理方便、无二次污染等特点。

2　设计要点尽管直接式管网叠压供水技术具有诸多优点,但如果设计使用不当,仍然会产生诸如影响周围用户水压、回流污染、水泵效率低、旁通管水质恶化、供水压力不足之类的问题。

211　正确设定稳压平衡器的高程鉴于建筑物首层的商业价值及水泵运行时会产生振动和噪声等原因,对于拥有地下室且采用二次加压方式供水的建筑,比较普遍的做法是将二次加压设备放在建筑物的地下室,然而,这种做法对直接式管网叠压供水技术是不合适的。

对于设置在地下室的叠压供水设备而言,当自来水管网的进水量大于或等于设备的供水量时给水管网中不会产生负压,但当进水量不足时管道压力将逐渐下降,至稳压平衡器产生负压时,与之相连接的给水管网已经在一定范围内形成负压,此时不仅附近用户的水压得不到保障,而且一旦在出现负压的管段上有淹没出流的出水口或地下水位较高且管道有渗漏点时,就会导致回流污染或地下水侵入。

另一方面,直接式管网叠压供水设备的设置高程也不能超出市政给水管网的最低水压线,否则将会出现断水事故。

因此,在决定叠压供水设备的安装高程时,应根据室外管网必须得到保障的最低水压、进水管路的长度和水力坡度经计算确定。

212　合理确定市政管网的最低压力采用直接式管网叠压供水技术时,一般应对建筑给水系统进行竖向分区,在市政管网水压可以得到保障的区域采用直接供水,其他区域采用叠压供水。

由于市政管网的水压在不同季节、不同时段都发生着变化,因此在进行竖向分区前,应对市政管网的供水压力变化情况有充分了解,特别是要准确判定市政管网的最低压力,因为市政管网的最低压力不仅是确定直接供水范围的标准,也是选择加压水泵扬程的依据。

如果所确定的最低压力比实际水压高出太多,不仅会在直接供水范围内的较高楼层出现水压不够现象,还会因为所选水泵扬程偏低,在叠压供水区域的最高楼层水压也不能满足要求。

反之,如果实际水压比所确定的最低压力高出太多,不仅水泵选型时扬程偏高,造成水泵及变频设备投资增加,而且还将导致设备投入运行后水泵长期在较低的转速下工作,设备总体效率低下,形成另一种形式的能源浪费。

213　优化机组配置相对于气压给水系统和变频调速给水系统而言,直接式管网叠压供水系统在充分利用市政管网剩余水压方面取得了突破,但仍然存在进一步完善功能、提高效率的问题。

图2为叠压供水系统流量扬程变化示意图,与普通的变频调速供水设备不同,虽然叠压供水设备也采用出水管恒压控制方式,但第5期 中国给水排水 第21卷由于市政管网水压波动引起净扬程的改变,叠压供水设备中水泵扬程并非是恒定的。

假定H ST1、H ST2分别对应于市政管网最低水压和最高水压时的净扬程,Q ～Σh 为管道特性曲线,Q max 为叠压供水的最大流量,显然点2是最不利工况点。

当系统的供水量不变而市政管网水压波动时,工况点将沿铅垂线移动;当市政管网水压稳定而供水量变化时,工况点将沿水平线移动;当系统供水量与市政管网水压同时发生变化时,工况点将随机移动,但系统的全部工况点都必定落在由点1、2、3、4围成的矩形之中。

图2　流量扬程变化示意图Fig .2　Variety range of fl ow and pu mp head为适应用水量的变化,叠压供水系统应考虑不同流量的水泵并联工作,但所有水泵的高效区扬程都应该覆盖点1与点4之间的变化范围。

当用水量很小时,为避免水泵空转,宜考虑设置小型气压罐。

图3　市政管网压力变化示意图Fig .3　Pressure fluctuati on chart of munici pal net w ork图3为市政管网水压变化示意图,为简化分析,认为送水泵站供水压力不变,并假定单位长度管道上的水头损失相等,即认为水力坡度线为直线。

由于市政管网用水量变化以及水流经过不同用户的管道长度不同,使得远离送水泵站的用户2处水压波动范围大于靠近送水泵站的用户1。

也就是说,距离送水泵站较远的建筑物采用直接式管网叠压供水技术时,应配置特性曲线较陡、高效区扬程范围较大的水泵。

214　避免旁通管的工程隐患因为旁通管的存在,可能导致系统出现以下问题:①由于加压水泵形成的压力差,当旁通管上的止回阀关闭不严时将会有部分水流经旁通管倒流至稳压平衡器,造成能量浪费;②当较长时间不启用旁通管时,停滞在管路中的水流将腐化变质,造成对管网水质的二次污染。

由于旁通管回流难以发现,所以应选择密闭性能可靠的止回阀,最好能够设置倒流监测装置。

为避免二次污染,应在旁通管的适当位置设置泄水阀,启用旁通管前排放存水并对管道进行冲洗。

3　结论①　直接式管网叠压供水技术具有节能、卫生安全、节约投资、管理方便等优点,将会在较短的时间内得到普遍应用。

②　将叠压供水设备设置在地下室不仅可能影响周围用户的水压,还可能导致回流污染或地下水侵入;但设置高程过高则可能出现断水现象。

③　准确合理地确定市政管网最低水压具有十分重要的意义。

④　用水量变化较大的系统应采用水泵并联运行,并宜设置小型气压罐。

⑤　市政管网水压波动范围较大时,直接式管网叠压供水设备应配置特性曲线较陡、高效区扬程范围较大的水泵。

⑥　旁通管的止回阀应具有可靠的密闭性能,并设置倒流监测装置。