无负压供水技术在灌区改造中的应用

崔维本 ，江兆才 ，杨树森

（1.沂源县水务局，山东 沂源 256100；2.沂源县田庄水库管理处，山东 沂源 256100）

沂源县田庄水库位于沂河上游，坝址以上流域面积为424 km2，总库容1.359 6亿m3，兴利库容 6 840万m3，是一座以灌溉、防洪、水产养殖等综合性利用为主的大（2）型水库。

田庄水库灌区位于沂源县中部，辖南麻、悦庄、石桥3个镇，11万人，其中农业人口9.4万人，土地总面积2.53万hm2，耕地面积1.53万hm2，灌区现状有效灌溉面积7 333 hm2。灌区于1966年动工兴建，1974年开灌，经过30多年的运行，骨干工程已严重老化，工程完好率仅为30%。

灌区内多年平均降水量694.9 mm,年内降水分配不均，由于降水时空分布不均和总量较少，自然降水不能保证农业生产的需要。

1 无负压加压泵站供水问题的提出

田庄水库灌区节水改造工程位于沂源县田庄水库灌区范围内。通过对灌区老干渠维修、改造，将田庄水库水源输送到悦庄项目区内。该工程在实施过程中，由于诸多方面的因素，原设计方案中的加压站、蓄水池位置需要改址，向上游前移1 km左右。在原设计管道铺设方案中，为充分利用地势高差、节省能源，蓄水池位置选在管道内供水自由水头接近零的地点。加压站位置变更后，原设计的自由水头最小处建水池已不能实现。经计算，由于新址水池地势增高，新址处管道自由水头尚有10 m的富余。若在此建水池，按传统蓄水加压供水方式，管道内富余的10 m水头不能得到充分利用，必将大大浪费能源。为充分利用管道自由水头，加压供水方式由传统水池加压变更为无负压加压泵站供水。

2 无负压供水设备及原理

无负压供水设备是以管网水为水源，充分利用管网原有的压力，形成密闭的连续接力增压供水方式，节能效果好，没有水质的二次污染，是变频恒压供水设备的发展与延伸。主要由变频调速水泵机组、稳流补偿器、真空抑制器、压力和流量传感器、预压自平衡器、控制柜、过滤器、倒流防止器等组成。

供水原理是：来水首先进入调节罐，罐内的空气从真空消除器内排出，待水充满后，真空消除器自动关闭。当来水能够满足用水压力及水量要求时，供水设备通过旁通止回阀向用水管网直接供水；当来水管网的压力不能满足用水要求时，系统通过压力传感器（或压力控制器、电接电压表）给出起泵信号起动水泵运行。水泵供水时，若来水管网的水量大于水泵流量，系统保持正常供水，用水高峰期时，若来水管网水量小于水泵流量时，调节罐内的水作为补充水源仍能正常供水，此时，空气由真空消除器进入调节罐，消除了来水管网的负压。用水高峰期过后，系统恢复正常的状态。若来水供水不足或管网停水而导致调节罐内的水位不断下降，液位控制器给出水泵停机信号以保护水泵机组。整个过程都是在全密闭状态下运行，且由变频控制系统控制，无需人工手动调整，以保证供水安全、纯净。

3 无负压供水技术特点

无负压管网叠压供水设备直接串接在供水管道上，采用稳流补偿器和真空补偿系统，微电脑控制，自动调节，使管道无负压（无吸程）。该套设备节能效果明显，优点显著。

1）高效节能。因采用微机控制变频新技术，能够充分利用管网已有的水压，设备的电机泵在变速运转的模式下工作，只对进水压力与所需压力的差额进行补压，根据用水流量、压力自动调节，满足用水的要求，节能效果极其显著，与传统水池加压产品相比，节电达50%～90%以上。2）不发生二次污染。因直接串联于管道中，无需设置地面储水箱，因而可确保水源的卫生标准，供水质量好，不发生二次污染。3）自动化程度高：该设备完全模拟人脑智能技术对设备进行自动控制，无需专人值守。4）寿命长，无故障。无负压管网叠压供水设备采用变频技术对泵组实现软启动运行，无大电流冲击，与传统的技术相比，设备寿命延长1倍以上，故障率几乎为零。5）保护功能齐全。该设备具有过压，过流、过载、水源无水等多种保护功能。6）无水停机。当管道无水时，设备会自动停机，来水时自动开机，既保护了电机泵，又节省了能源。

4 无负压供水技术的应用

田庄水库灌区节水改造工程是从田庄水库北放水洞至沂源县城瑞阳大道北干渠交汇处 (干渠桩号12+896)，其间铺设 Φ1 000PE 管 5 070 m；Φ1 200混凝土管道4 925 m；顶管470 m，维修北干渠瑞阳大道交汇处(12+896)至苗山后(20+583)之间7.687 km渠道；建1座加压站、管理房，ZWG4500-38-160/5叠压式加压供水设备1套；新建闸阀室14座，控制量测设备14套。工程设计日供水量10.45万m3，为下游3 340 hm2经济作物灌溉提供水源。工程设计供水流量为4 500 m3/h，需要加压水泵扬程为40 m，管网来水压力为0.1 MPa，进出口铺设Φ1 000PE管道。

根据以上参数要求，传统水池供水方式采用5台型号为IS型单级卧式离心泵（4用1备）。单台水泵额定流量1 600 m3/h，额定扬程50 m，额定功率280 kW。而无负压供水设备采用ZWG4500-38-160/5型直接式管网叠压供水设备。采用5台型号为KQW350-400B-160/4的单级卧式离心泵（4用1备）。单台水泵额定流量1 050 m3/h，额定扬程38 m，额定功率160 kW。

无负压设备具有分时段、分压力供水的功能，可根据当地用电高、低谷调节供水。每台泵都有独立的变频控制，水泵工况始终与使用工况一致，即每台水泵启动运行时都可以根据蓄水量的变化变频运行在高效区间。

5 工程效益比较

5.1 工程年费用

工程年费用主要由年基本折旧费和年运行费构成。计算比较如下：

1）设计方案变更前后年基本折旧费：包括设备及管件管材折旧费和土建设施折旧费见表1。

表1 原设计方案项目费用投资表

2）变更后设计方案基本折旧费:其中管材、管件、机电设备及土建设施费见表2。

表2 变更方案后项目费用投资表

3）年运行费：年运行费包括工资及福利费、大修费和其他费用等，设计方案变更前后费用对比见表3。

表3 工程年费用变更前后对比表 万元

由表3可知:原设计方案工程年费用为578.67万元，方案变更后工程年费用为455.42万元。

5.2 供水成本费用比较

通过计算分析原设计方案供水成本为0.251元/m3。变更设计方案后供水成本为0.198元/m3。按照年供水2 304万m3可比口径计算,每年可节约运行费123.25万元，设计方案变更后经济效益明显。

总之，无负压供水技术先进，节能效果明显,仅泵站运行费用每年可节约96万元。同时该套技术采用全自动控制，节约人力资源及费用，减少管理人员14名，年节约工资及福利费35万元；管网安全防护设施齐全，可有效防止管道的水锤现象。无负压供水在长距离输水管道中代替常规加压泵站项目是一项节能、降耗、省工的有效措施。