無負壓供水技術在灌區改造中的應用

崔維本 ，江兆才 ，楊樹森

（1.沂源縣水務局，山東 沂源 256100；2.沂源縣田莊水庫管理處，山東 沂源 256100）

沂源縣田莊水庫位于沂河上游，壩址以上流域面積為424 km2，總庫容1.359 6億m3，興利庫容 6 840萬m3，是一座以灌溉、防洪、水產養殖等綜合性利用為主的大（2）型水庫。

田莊水庫灌區位于沂源縣中部，轄南麻、悅莊、石橋3個鎮，11萬人，其中農業人口9.4萬人，土地總面積2.53萬hm2，耕地面積1.53萬hm2，灌區現狀有效灌溉面積7 333 hm2。灌區于1966年動工興建，1974年開灌，經過30多年的運行，骨干工程已嚴重老化，工程完好率僅為30%。

灌區內多年平均降水量694.9 mm,年內降水分配不均，由于降水時空分布不均和總量較少，自然降水不能保證農業生產的需要。

1 無負壓加壓泵站供水問題的提出

田莊水庫灌區節水改造工程位于沂源縣田莊水庫灌區范圍內。通過對灌區老干渠維修、改造，將田莊水庫水源輸送到悅莊項目區內。該工程在實施過程中，由于諸多方面的因素，原設計方案中的加壓站、蓄水池位置需要改址，向上游前移1 km左右。在原設計管道鋪設方案中，為充分利用地勢高差、節省能源，蓄水池位置選在管道內供水自由水頭接近零的地點。加壓站位置變更后，原設計的自由水頭最小處建水池已不能實現。經計算，由于新址水池地勢增高，新址處管道自由水頭尚有10 m的富余。若在此建水池，按傳統蓄水加壓供水方式，管道內富余的10 m水頭不能得到充分利用，必將大大浪費能源。為充分利用管道自由水頭，加壓供水方式由傳統水池加壓變更為無負壓加壓泵站供水。

2 無負壓供水設備及原理

無負壓供水設備是以管網水為水源，充分利用管網原有的壓力，形成密閉的連續接力增壓供水方式，節能效果好，沒有水質的二次污染，是變頻恒壓供水設備的發展與延伸。主要由變頻調速水泵機組、穩流補償器、真空抑制器、壓力和流量傳感器、預壓自平衡器、控制柜、過濾器、倒流防止器等組成。

供水原理是：來水首先進入調節罐，罐內的空氣從真空消除器內排出，待水充滿后，真空消除器自動關閉。當來水能夠滿足用水壓力及水量要求時，供水設備通過旁通止回閥向用水管網直接供水；當來水管網的壓力不能滿足用水要求時，系統通過壓力傳感器（或壓力控制器、電接電壓表）給出起泵信號起動水泵運行。水泵供水時，若來水管網的水量大于水泵流量，系統保持正常供水，用水高峰期時，若來水管網水量小于水泵流量時，調節罐內的水作為補充水源仍能正常供水，此時，空氣由真空消除器進入調節罐，消除了來水管網的負壓。用水高峰期過后，系統恢復正常的狀態。若來水供水不足或管網停水而導致調節罐內的水位不斷下降，液位控制器給出水泵停機信號以保護水泵機組。整個過程都是在全密閉狀態下運行，且由變頻控制系統控制，無需人工手動調整，以保證供水安全、純凈。

3 無負壓供水技術特點

無負壓管網疊壓供水設備直接串接在供水管道上，采用穩流補償器和真空補償系統，微電腦控制，自動調節，使管道無負壓（無吸程）。該套設備節能效果明顯，優點顯著。

1）高效節能。因采用微機控制變頻新技術，能夠充分利用管網已有的水壓，設備的電機泵在變速運轉的模式下工作，只對進水壓力與所需壓力的差額進行補壓，根據用水流量、壓力自動調節，滿足用水的要求，節能效果極其顯著，與傳統水池加壓產品相比，節電達50%～90%以上。2）不發生二次污染。因直接串聯于管道中，無需設置地面儲水箱，因而可確保水源的衛生標準，供水質量好，不發生二次污染。3）自動化程度高：該設備完全模擬人腦智能技術對設備進行自動控制，無需專人值守。4）壽命長，無故障。無負壓管網疊壓供水設備采用變頻技術對泵組實現軟啟動運行，無大電流沖擊，與傳統的技術相比，設備壽命延長1倍以上，故障率幾乎為零。5）保護功能齊全。該設備具有過壓，過流、過載、水源無水等多種保護功能。6）無水停機。當管道無水時，設備會自動停機，來水時自動開機，既保護了電機泵，又節省了能源。

4 無負壓供水技術的應用

田莊水庫灌區節水改造工程是從田莊水庫北放水洞至沂源縣城瑞陽大道北干渠交匯處 (干渠樁號12+896)，其間鋪設 Φ1 000PE 管 5 070 m；Φ1 200混凝土管道4 925 m；頂管470 m，維修北干渠瑞陽大道交匯處(12+896)至苗山后(20+583)之間7.687 km渠道；建1座加壓站、管理房，ZWG4500-38-160/5疊壓式加壓供水設備1套；新建閘閥室14座，控制量測設備14套。工程設計日供水量10.45萬m3，為下游3 340 hm2經濟作物灌溉提供水源。工程設計供水流量為4 500 m3/h，需要加壓水泵揚程為40 m，管網來水壓力為0.1 MPa，進出口鋪設Φ1 000PE管道。

根據以上參數要求，傳統水池供水方式采用5臺型號為IS型單級臥式離心泵（4用1備）。單臺水泵額定流量1 600 m3/h，額定揚程50 m，額定功率280 kW。而無負壓供水設備采用ZWG4500-38-160/5型直接式管網疊壓供水設備。采用5臺型號為KQW350-400B-160/4的單級臥式離心泵（4用1備）。單臺水泵額定流量1 050 m3/h，額定揚程38 m，額定功率160 kW。

無負壓設備具有分時段、分壓力供水的功能，可根據當地用電高、低谷調節供水。每臺泵都有獨立的變頻控制，水泵工況始終與使用工況一致，即每臺水泵啟動運行時都可以根據蓄水量的變化變頻運行在高效區間。

5 工程效益比較

5.1 工程年費用

工程年費用主要由年基本折舊費和年運行費構成。計算比較如下：

1）設計方案變更前后年基本折舊費：包括設備及管件管材折舊費和土建設施折舊費見表1。

表1 原設計方案項目費用投資表

2）變更后設計方案基本折舊費:其中管材、管件、機電設備及土建設施費見表2。

表2 變更方案后項目費用投資表

3）年運行費：年運行費包括工資及福利費、大修費和其他費用等，設計方案變更前后費用對比見表3。

表3 工程年費用變更前后對比表 萬元

由表3可知:原設計方案工程年費用為578.67萬元，方案變更后工程年費用為455.42萬元。

5.2 供水成本費用比較

通過計算分析原設計方案供水成本為0.251元/m3。變更設計方案后供水成本為0.198元/m3。按照年供水2 304萬m3可比口徑計算,每年可節約運行費123.25萬元，設計方案變更后經濟效益明顯。

總之，無負壓供水技術先進，節能效果明顯,僅泵站運行費用每年可節約96萬元。同時該套技術采用全自動控制，節約人力資源及費用，減少管理人員14名，年節約工資及福利費35萬元；管網安全防護設施齊全，可有效防止管道的水錘現象。無負壓供水在長距離輸水管道中代替常規加壓泵站項目是一項節能、降耗、省工的有效措施。