山区供水的压力控制

山区供水的压力控制

赵燃

北京市石景山区自来水有限公司北京100043

摘要：因为山区有地形高差大、起伏多、城市布局复杂且不规则的特点，所以山区供水也呈现出供水压力不均衡、供水工程施工难度大、用水户大分散小集中的特点，也因此山区供水的压力控制一直都是供水单位所面对的技术难题。压力控制不合理会导致用户水压不稳、设备能耗升高和管网漏失率大，严重的会导致爆管事故造成巨大损失。在管网运营阶段对压力调控的手段相对于规划和设计阶段更为单一，只能是在水厂和管网总体交付使用之后的改造性调整。

五里坨地区为典型的浅山区地形，五里坨供水厂为新建地下水供水厂，但管网为老旧管线：布局不合理、漏失率偏高。因为历史和资金问题目前无法大规模的对管网进行改造和新建，只有在运行中通过增加减压阀进行合理的压力分区、出厂水及补压井压力精细控制等方法，达到利用有限的资金和时间实现对山区供水压力合理控制的目的。

1五里坨地区供水现状及问题

五里坨地区位于北京市石景山区的西北部，紧邻门头沟三家店、北靠天泰山，是典型的浅山区地貌。地区供水区域纵深2.9公里，主要供水区域地形高差达到68米，平均坡度2.4%。供水人口4万人，供水面积655公顷，供水管线近20公里。

五里坨地区早期多为自然村落和驻京部队，随着城市化的发展在此地区建设了多个居民区和配套设施，近两年每年供水量的增幅都在20%以上。五里坨地区的供水设施基础薄弱：原有供水方式采用地下水分散性供水，供水保障率低；早期的管网无统一规划、未进行压力分区，高位地区水压不稳定、低位区水压过高；管网管龄普遍较大，部分管网管龄已在30年以上，可靠性差、跑漏较为严重，管网漏失率高达23%。五里坨供水厂位于五里坨地区中间偏高的位置，是供水能力3万吨每日的地下水水厂，水源全部取自1400米以下的奥陶系，于2016年初投产。五里坨地区为多水源供水，水厂投产后原有的供水井作为补压井并入管网继续使用，集中供水和分散供水的水量比约为2.5：1。五里坨供水厂在投产的同时只配建了少量的配水管网，目前运行采用“新厂+老管”的形式。

2山区供水区域的划分

山区地形复杂、高差大、功能区相对独立，对山区供水管网的合理分区，能有效提高管网压力均衡性和安全性并且大大降低水泵能源消耗。山区供水分区方式一般分为串联和并联两种。当供水区域延伸方向垂直于等高线时，采用串联的方式较为适合，串联分区管网长度较短，但在一定程度上也降低了管网的可靠程度。并联分区系统中各用水组团由不同的输水管线供给，供水可靠性高、管理也较为方便，但是此种方式增加了管线的长度和造价。无论是串联还是并联分区，分区的数量理论上越多节能效果越好，分区供水与不分区比较，最高节能可达50%。

五里坨地区星罗棋布着自然村和驻守部队等用水组团，其最初的供水形态为各组团独立供水。近年来随着基础设施投入的增加，各独立供水单元逐步连接成网，从而提高了地区整体的供水能力。但因为早期规划性不强和管网的先天不足，五里坨地区管网仍然没有进行分区。五里坨供水厂投产后，由原来的分散性供水转换为集中供水为主。根据地区地形高程变化和用水组团分布情况，兼顾合理性和可行性，对原有管网做了如下优化调整（如图1）：

2.1根据五里坨地区用水区域延伸垂直于等高线的特点，采用串联的分区方式。综合分析五里坨地区的高差、水厂高程及用户服务水头等几方面因素。初步将五里坨地区的供水服务分为三个压力区。高位区的供水压力为12-23米（增压前），供水量约占地区总水量的17%；中位区的供水压力为23-45米，供水量占地区总水量的43%；中位区的供水压力为20-48米（减压后），供水量占地区总水量的40%。各供水区不利点压力都能达到并稳定在用户的最小服务水头，且各区最大压力都小于0.5MPa，大大降低了老旧管线的爆管风险。

2.2五里坨供水厂位于中位区。中位区和低位区之间安装减压阀，用以区分压力，降低低位区的自由水头。中位区和高位区之间一般有二次加压设备或独立供水单元，以提高高位区的水压。各分区管网布置类型以枝状网为主，既符合了原有的供水管网模式，也减少了减压阀的安装数量。

2.3山区串联式分区不像平原地区，往往受到山梁的阻隔不易设置联络管。但是考虑到发生输水干管故障时其余管线分摊大流量的事故情况，还是在中位区和低位区设置了独立的联络管，或微调减压阀的位置以利用现状联络管。

2.4在高位区、中位区和低位区的不利点分别设置测压点，以监控各分区压力状态，也为出厂水压力设定值、减压阀的阀后压力值和补压井的压力设定值提供参考。五里坨地区共设置7个测压点（含补压井测压点）。

2.5在供水分区内部严禁不同分区的管网相连，防止高压区与低压区串水造成部分管线流量过大、减压阀阀后压力过高。

3减压阀的应用

减压阀是调节管网压力，进行压力分区的常用设备。从功能上可以把减压阀分为减压稳压阀、比例式减压阀和持压泄压阀。减压稳压阀无论阀前压力和流量如何变化，阀后压力都始终保持稳定。如果阀后压力高于阀前压力，则减压阀关闭防止水流逆向流动。比例式减压阀的阀后压力与阀前压力保持为一个固定的比例，并随着阀前压力的变化而变化，比例式减压阀的结构简单，故障率较稳压式更低。持压泄压阀保持阀前一定的压力，当阀前过压时阀门开启，向低压区泄压并实时调节开度保持阀前压力。隔膜式水利控制稳压减压阀有过流通径大、可靠性高的特点，其可以通过调节导阀的弹簧松紧程度，来调整阀后压力稳定在一定数值。目前高性能的稳压减压阀的减压比（阀前压力/阀后压力）可以稳定在10：1以上，如果有些地区减压比过大，可以通过串联使用比例式减压阀和稳压减压阀来实现。

五里坨地区在中位区和低位区分界线的主要管线上共设置了四台减压阀，采用隔膜式水利控制稳压减压阀，实现对低位区的减压供水。最大口径DN400，最小口径DN150。阀前平均压力0.45MPa，阀后压力稳定在0.2MPa。根据实测的五里坨地区测压点压力差-总流量曲线可以看出：如果保持水厂的出厂压力值不变，随着整个地区用水流量的增加，测压点压力值会与测压点的压力期望值产生压力偏差ΔP，而且流量越大偏差越多。平原地区可以直接设置不同的出厂压力值以对应总供水量的变化，来稳定测压点的压力。同时通过对比五里坨地区不同测压点ΔP值的增速可以分析出，不同位置的测压点因其高程、管网形式、管径和用水量等多方面因素影响，ΔP的增速差异较大。如测压点1位于高位区，在高峰供水时ΔP值最大，其压力偏差的增速也最大；测压点3位于低位区，高峰供水时ΔP最小，压力偏差增速也很小。

如果五里坨压力分区采用可调式减压阀，因为阀前压力无论如何变化阀后压力保持稳定，所以为了始终满足阀后用户的最小使用压力，其阀后压力值需要设置在高流量对应的压力值，必然会导致低流量时的压力偏大，造成浪费。如采用比例式建议阀，因为阀前与阀后压力为固定比例，五里坨地区约2.3：1的减压比，也明显小于测压点1和测压点3的ΔP比值10：1，会造成低位区在高流量时的压力过高。

如果人工根据流量调节减压阀阀后压力，则需要人员经常下井手动调解弹簧的松紧度，工作强度大。根据这种情况，五里坨供水厂采用了双导阀的模式（如图3），将两个弹簧松紧度不同的导阀并联，利用电磁阀切换导阀的使用状态，电磁阀始终为一开一关，对应两种不同的阀后压力。中控室利用物联网通讯，远程自动控制减压阀的阀后压力值。先导阀1和先导阀2分别对应一般水量及大流量时的阀后压力值。此过程全部采用电池作为能源，只需定期更换电池，不受电源及通讯的限制。阀后测压点监测阀门是否动作产生阀后压力正常变化，如发生故障时发出报警信号。在其他场合应用此技术时，可以根据实际情况采用多导阀控制，在通讯不畅的地区也可以采用时间控制器控制电磁阀开闭。

4出厂水及补压井压力的控制

五里坨供水厂压力控制建立在PID变频调速的基础上，同时考虑测压点的重要程度及事故状态，将测压点的实测值纳入水压控制过程中，提出了综合压力值的概念，从而可以全面、精确地控制压力设定值。根据五里坨地区集中供水和分散供水同时存在的供水特点，五里坨地区的压力自动控制分为出厂水压力控制和补压井压力控制，其控制原理类似，控制流程如图4所示：

现以水厂出厂水压力设定值为例简述控制原理：

4.1参数设定，根据长期运行经验人工输入参数值，具体参数含义为：

QH-最大流量设定值，m³/h；

QL-最小流量设定值，m³/h；

PH-最大流量下出厂压力设定值，MPa；

PL-最小流量下出厂压力设定值，MPa；

PHn最大流量下测压点的压力期望值，MPa，n为测压点序号；

PLn最小流量小测压点的压力期望值，MPa，n为测压点序号。

Kn-各测压点的权重百分数，n为测压点序号。

ΔP1-综合压力值压力偏差上限，为正值，MPa；

ΔP2-综合压力值压力偏差下限，为负值，MPa；

T0-压力调整时间间隔，s；

K-压力设定值调整比例系数；

4.2实时测量数据，作为控制运算的依据，具体包括：

Q-出厂瞬时流量，m³/h；

Pn-测压点压力实测值，MPa，n为测压点序号；

高流量时综合压力期望值，PH=∑（Kn×PHn），（n=1，2．．．7），MPa；

低流量时综合压力期望值，PL=∑（Kn×PLn），（n=1，2．．．7），MPa；

综合压力设定值，Pzs，MPa；

当Q≥QH时，Pzs=PH

当QL≤Q＜QH时，Pzs=[PH（Q-QL）+PL（QH-Q）]/（QH-QL）

当Q＜QL时，Pzs=PL

综合压力检测值，Pzj=∑（Kn×Pn），MPa；

综合压力差，ΔPz=Pzs-Pzj，MPa；

4.3故障判断与出厂水压力值设定

减压阀失能时下游测压点压力值变大，此时系统自动增大失能减压阀附近测压点的kn值，从而降低减压阀下游压力，避免爆管。若测压点故障，则系统自动将测压点kn设置为0，则此测压点不参与压力控制流程。因为部分补压井在不开泵时兼做测压点，在水泵开启时会发生测压点压力波动，故在水泵开启时系统也自动将其kn归零。

当P2＜ΔPz＜P1时，控制器无动作，计时器T归零；

当ΔPz≥P1或ΔPz≤P2时，启动计时器T；

当T≥T0时，PS=PS+K*ΔPz，PS为出厂水压力设定值，MPa。

5高位区供水的形式

五里坨高位区供水主要有三种形式，分别为高位区补压井供水、中位区经过叠压直接供水和高位水池供水。多数情况下高位区可利用供水厂的出厂压力直接供水，当有局部高点或楼房高层时，采用无负压设备进行叠压供水。五里坨地区部分自然村采用高位水池重力供水，增压泵受水池液位自动控制将中位区的水增压至高位水池，这种供水方式水压力平稳并有调蓄功能，但也存在卫生条件差、自然村向高位发展受限的缺点。

补压井1为高位区补压井，直接为位于高点的军队大院供水，因现场条件限制在军队院内无法建设高位水池或水塔，只有依靠水泵24小时运行供水，且补压井1为存量资产，如弃之不用会造成国有资产的巨大浪费。军队大院的用水量小于补压井1的最大出水量，用水量的时变化系数很大，夜间甚至用水量趋于零。故将补压井1连接中位供水区并安装持压泄压阀，当军队大院用水量较大时阀门不开启，保障高点优先用水。当用水量变小时阀前压力上升，阀门减压向中位区供水，从而保障了水泵的最小流量，使水泵在合理的效率段上运行。无论是那种供水形式，都应该结合高位区的各类实际情况，从供水保障率、经济性和水质安全等方面综合考虑规划最优方案。

6结论

五里坨地区供水压力综合优化完成已有半年多时间，对比分区减压前后的流量曲线后可得知管网漏失率同比下降7%，平均月节省电费近3万3千元，DN300以下管道非施工损坏事故数量同比下降68%，可见压力控制已经取得了初步成效。

在未对五里坨地区管网做根本性改变的前提下，只在原有管网的基础上做优化调整。根据实际情况和一定原则对管网的合理分区是山区管网压力优化的基础。通过对双导阀远程控制可调减压阀的探索性的应用，实现了依据流量对阀后压力的精确控制。将测压点的实测值纳入出厂水及补压井压力设定值的计算中，提出了综合压力值的概念，实现自动压力自动调节、事故自动诊断和自动处理，从而有效地优化了五里坨地区管网的供水压力。