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張雪  徐艷青  李新華  李琴

( 蘇州市自來水有限公司，215002 ) 

摘要：清水庫容量不足會(huì)導(dǎo)致清渾水量匹配困難，小容量清水庫廠級(jí)調(diào)度模式的研究對(duì)于指導(dǎo)水廠調(diào)度，節(jié)約生產(chǎn)能耗，降低勞動(dòng)強(qiáng)度意義明顯。在對(duì)南方某小容量水庫水廠調(diào)度分析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)探討了廠級(jí)調(diào)度的靜態(tài)因素及動(dòng)態(tài)因素影響程度及應(yīng)對(duì)措施，并建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明：靜態(tài)影響因素具有有滯水特性，當(dāng)出現(xiàn)渾水量短時(shí)間內(nèi)偏大，則可以通過夾小濾池閥門，發(fā)揮靜態(tài)因素性能來調(diào)整清渾水量差；濾池對(duì)水量傳輸限制是動(dòng)態(tài)影響的主要因素，調(diào)度過程中須靈活應(yīng)用各方面手段；生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了調(diào)度數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)備性，對(duì)調(diào)度具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：飲用水；水量調(diào)度；清水庫

       水廠調(diào)度優(yōu)化能夠節(jié)省運(yùn)行成本，保護(hù)自然資源，提高服務(wù)質(zhì)量，從而獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。對(duì)于廠級(jí)調(diào)度而言，其主要任務(wù)是利用水庫容量來調(diào)節(jié)清渾水量差，實(shí)現(xiàn)清渾水量的同步匹配。渾水流量的頻繁變化不但會(huì)加重泵站員工的工作負(fù)擔(dān)，而且會(huì)導(dǎo)致渾水管道壓力的頻繁波動(dòng)，極易引起爆管，這對(duì)渾水管道的運(yùn)行極為不利。面對(duì)流量實(shí)時(shí)變化的清水，如想做到渾水量不變或者盡量少作動(dòng)作，就必須有足夠的清水庫容積來調(diào)配清渾水量差額。根據(jù)規(guī)范要求[1-4]，當(dāng)管網(wǎng)無調(diào)節(jié)構(gòu)筑物時(shí)，在缺乏資料情況下，可按水廠最高日設(shè)計(jì)水量的10~20%確定，小型水廠建議取大值。對(duì)于日供水能力24萬m3/d的水廠，其清水庫容積至少應(yīng)為2.4萬m3，可以滿足3000m3/h清渾水量差下8h的調(diào)配。對(duì)于水庫容量不足的水廠而言，為了滿足清渾水量間的調(diào)配，使渾水能夠跟上渾水量變化就必須采用調(diào)節(jié)渾水量大小來滿足二者之間的流量變化。如何在水庫容量不足的條件下，盡可能地減少渾水泵房的動(dòng)作，采用何種調(diào)配方式來保證渾水管線的運(yùn)行安全是供水人員必須關(guān)注與解決的，為此筆者以水廠實(shí)際生產(chǎn)調(diào)配為背景，研究并分析了小容量清水庫下廠級(jí)調(diào)度，以期為水廠的運(yùn)行管理提供理論參考。

1.研究背景

       B水廠地處蘇州城區(qū)西北部?？傇O(shè)計(jì)規(guī)模30萬m3/d供水量，清水庫容量為3.6萬m3。期工程于1990年6月27日投產(chǎn)，供水量設(shè)計(jì)為15萬m3/d。二期工程于1995年6月投產(chǎn)，供水量設(shè)計(jì)為15萬m3/d。

       2012年蘇州市自來水公司對(duì)B水廠進(jìn)行升級(jí)改造，將一期工藝及1.5萬m3清水庫全部拆除。改造期間以二期工藝進(jìn)行運(yùn)行，剩余清水庫總量為2.1萬m3，實(shí)際有效容積僅為1.3萬m3。面對(duì)15~18萬m3/d的供水需求，現(xiàn)有水庫容量不足日最高供水量的8%，水庫容量極小，調(diào)度要求較高，需要經(jīng)常調(diào)節(jié)渾水量與清水量間的匹配程度方能達(dá)到要求。

       B水廠取水口位于通安鎮(zhèn)街西村，取水在太湖，距離水廠約14.5km的距離采取DN1400與DN1200雙管并聯(lián)供水。管線建于上世紀(jì)90年代，由于年限久遠(yuǎn)，管線老化。廠內(nèi)為了避免運(yùn)行過程中爆管突發(fā)事件，對(duì)渾水管的輸水流量和壓力作了嚴(yán)格的限制。

2.結(jié)果與討論

       水廠內(nèi)水量影響按照性質(zhì)不同，可以分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)影響分兩個(gè)方面。具有盛水功能的濾池、沉淀池、清水庫、水塔是通過水量存儲(chǔ)的形式來影響水量，筆者稱之為靜態(tài)影響。具有水量調(diào)節(jié)功能的一泵房、二泵房是通過流量變化來影響水量，筆者稱之為動(dòng)態(tài)影響。這兩方面作用對(duì)調(diào)度工作影響較大，須合理掌握其中規(guī)律。

2.1 靜態(tài)影響

       清水庫的水位標(biāo)高是調(diào)度過程中時(shí)常關(guān)心的問題，直接反應(yīng)水庫的實(shí)際水量。水庫水位過低將降低供水的安全性能，會(huì)導(dǎo)致水庫被抽干，無水可供的生產(chǎn)事故，水位過高會(huì)導(dǎo)致水位溢出，浪費(fèi)清水量。清水庫前的沉淀池、濾池、沖洗水塔、配水井等構(gòu)筑物均具有盛水功能，因此這類構(gòu)筑物水位的高低將直接影響入庫清水量，影響清水庫的水位標(biāo)高。在濾池的設(shè)計(jì)參數(shù)中有100mm左右的保護(hù)高度，因此濾池、沉淀池及配水井具有0.1∑Si左右的調(diào)節(jié)能力。

       以B水廠為例，廠內(nèi)沉淀池與濾池總影響面積為5250.36 m2，水位每波動(dòng)0.1m時(shí)，水量將相差525 m3。如此大的水量存儲(chǔ)量會(huì)引起原水流量變化的反應(yīng)遲鈍現(xiàn)象。2012年某日夜間，進(jìn)廠原水4200m3/h，出廠清水量3800m3/h，1h內(nèi)清水庫水位無任何變化，期間相差400 m3/h不知去向。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)濾池水位比日常水位高出了8cm左右，開大濾池出水閥門后該項(xiàng)問題得到了很好的解決。該現(xiàn)象的主要原因是，濾池出水閥門限制了濾池出水，使得濾池水位抬高，同步引起沉淀池水位抬高，從而導(dǎo)致水量的滯留現(xiàn)象，進(jìn)而影響水庫水位遲遲不上升。這種現(xiàn)象在變水位變速過濾的水廠（如普通快濾池）時(shí)常會(huì)發(fā)生，因此對(duì)于使用變水頭變速過濾的水廠調(diào)度過程中須重點(diǎn)關(guān)注此種現(xiàn)象的發(fā)生。調(diào)度人員如不能很好地理解這方面的影響，只追蹤渾水流量，可能導(dǎo)致濾池水位的溢出，卻不能增加清水庫水位，進(jìn)而會(huì)影響調(diào)度運(yùn)行安全。

       作為調(diào)度人員應(yīng)該充分熟知從工藝最前端配水井至最尾端清水庫的構(gòu)筑物表面積及有效調(diào)節(jié)高度，從而更好地分析出各類水量不匹配的具體原因，調(diào)度過程中不能僅盯清渾水量差。

       靜態(tài)影響因素雖然有滯水的不利因素，但是如果利用妥當(dāng)，發(fā)揮其有利因素也有利于生產(chǎn)調(diào)度。當(dāng)出現(xiàn)渾水量短時(shí)間內(nèi)偏大，則可以通過夾小濾池閥門，抬高濾池、沉淀池水位，來調(diào)整清渾水量差。以B水廠為例，沉淀池與濾池能夠具有525 m3的調(diào)節(jié)能力，當(dāng)遇渾水量短時(shí)間偏大，或者渾水管檢修等突發(fā)事件時(shí)，可以利用這525 m3的蓄水功能來增大水量的保有量。

2.2 動(dòng)態(tài)影響

       動(dòng)態(tài)影響即為各類流量所造成的影響。從制水工藝的最前端至清水庫的最尾端，會(huì)產(chǎn)生流量變化的位置主要在各個(gè)構(gòu)筑物相連的部位。配水井與沉淀池，沉淀池與濾池，濾池與清水庫間均存在限制水流順利流入下一個(gè)構(gòu)筑物的可能。配水井與沉淀池，沉淀池與濾池間均為管渠相連，管渠口徑完全符合設(shè)計(jì)流量運(yùn)行要求，運(yùn)行過程中各類閥門均處于敞開狀態(tài)。從水量角度，配水井、沉淀池與濾池可以視為一體構(gòu)筑物，這3個(gè)構(gòu)筑物中的任何一個(gè)構(gòu)筑物水位的抬升都會(huì)引起其他2個(gè)構(gòu)筑水位的一同變化，這3個(gè)構(gòu)筑物不會(huì)限制水量的傳輸。

       對(duì)于濾池與清水庫之間，由于二者之間具有砂濾層與閥門調(diào)節(jié)的影響，往往會(huì)導(dǎo)致砂濾池出水與渾水量差別巨大。前面案例就很好地說明了這個(gè)現(xiàn)象，400 m3/h的流量差額正是由于濾池閥門的影響，因此濾池對(duì)水量傳輸限制是動(dòng)態(tài)影響的主要因素。

       圖2為閥門及濾層污染對(duì)濾池出水流量的影響，當(dāng)濾池剛經(jīng)過反沖洗，濾池出水閥門開度往往較小，濾層較為清潔，過濾剛開始階段閥門的局部損失是限制濾池出流量的主要因素，開始階段濾池出水流量較為穩(wěn)定。隨著濾層污染的不斷加劇，濾層的水頭損失逐步變成了出流量限制因素，出水流量將下降。當(dāng)降至一定程度，濾池出水流量降低時(shí)，工人通過增大濾池出水閥門開度來增加出水流量，因此濾池出水流量將恢復(fù)。當(dāng)出水閥門開度達(dá)到100%時(shí)，濾層污染達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，濾池將進(jìn)行反沖洗。左邊1圖是V型濾池恒水位等濾速的運(yùn)行模型，V型濾池通過不斷調(diào)節(jié)出水閥門，縮短濾層影響時(shí)間，使得濾速在小范圍內(nèi)作波動(dòng)。所謂的等濾速也不是完全意義上的恒濾速，而是濾速變化較小。右邊2圖是普通快速池實(shí)際操作過程的一種情況，由于工人操作存在無規(guī)律性，常常會(huì)出現(xiàn)閥門開度早晚及大小間的誤差影響。

        除濾池之外，動(dòng)態(tài)影響還包括沉淀池排泥，濾池反沖洗水等。當(dāng)水廠出現(xiàn)短期的渾水量偏高時(shí)，可以通過提前排泥來減少渾水進(jìn)入濾池進(jìn)而進(jìn)入清水庫。當(dāng)清水庫水位偏高時(shí)，可以通過夾小濾池出水閥，提前進(jìn)行濾池反沖洗來降低清水庫液位。以B水廠為例，每只沉淀池排泥可以實(shí)現(xiàn)250m3/(只.h)的流量抑制功能，水廠共有沉淀池4只，總排泥能力為1000m3/h。濾池的沖洗時(shí)間為6min，反沖洗強(qiáng)度為14L/(s.m2)，每只濾池的反沖洗水量為347.21 m3，共有濾池12只，通過反沖洗能調(diào)節(jié)的流量為4166.52m3，也就是說可以72min內(nèi)最大可調(diào)節(jié)4166.52m3的水量，當(dāng)水庫水位過高時(shí)，可以通過反沖洗濾池來進(jìn)行水庫液位的壓制。同時(shí)在水庫水位不足情況下，應(yīng)避免濾池反沖洗的操作。

       清、渾水量差，沉淀池排泥、濾池反沖洗都能夠影響水庫水位的高低。B水廠水庫面積為6666.67 m2，水庫有效水位范圍0.5~2.5m，調(diào)節(jié)能力僅為13333.34m3。如果清渾水量差為2000m3/h時(shí)，1h內(nèi)將引起0.3m左右的水位變化，但此時(shí)如果面對(duì)靜態(tài)因素影響，發(fā)生沉淀池與濾池貯水，將直接影響調(diào)度人員的水量判斷。

2.3數(shù)學(xué)建模

        以上分析得知，沉淀池、濾池及清水庫之間有式2.3-1及式2.3-3的水量關(guān)系，清水庫的變化與不但與清渾水量差有關(guān)，而且還與沉淀池、濾池的水位變化，沉淀池的排泥及濾池的反沖洗有關(guān)。

       式2.3-3可以用于指導(dǎo)水庫水位的調(diào)整，保障水庫安全。在實(shí)際的調(diào)度過程中，對(duì)于固定水廠△h清是有固定范圍，排泥與反沖洗往往是1d僅安排一次，因此在全面摸透清水一天內(nèi)變化規(guī)律后，可以用式2.3-4來進(jìn)行渾水量的計(jì)算，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

       清水庫水位的恢復(fù)時(shí)間是調(diào)度過程中另外一個(gè)重要指標(biāo)，這對(duì)于渾水量調(diào)配至關(guān)重要?；謴?fù)時(shí)間主要跟清渾水量差、濾池濾速、閥門等因素相關(guān)，清水庫水位的恢復(fù)時(shí)間可以參見式2.3-5。

        式2.3-5表明，清水庫水位的恢復(fù)時(shí)間與濾池濾速、清水流量直接相關(guān)，渾水流量只是通過對(duì)濾池濾速影響而對(duì)其間接相關(guān)，因此當(dāng)渾水流量調(diào)整過后，一定要對(duì)濾池閥門進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)方能保證清水庫水位的快速反應(yīng)，2.1節(jié)中的案例很好地解釋了這個(gè)現(xiàn)象。

2.4模型應(yīng)用

（1）渾水量計(jì)算模型應(yīng)用

        為了驗(yàn)證模型的實(shí)用性能，特別選擇了2013年3月份某日進(jìn)行了渾水量計(jì)算模型應(yīng)用試驗(yàn)。實(shí)際水廠運(yùn)行參數(shù)見表1

       在試驗(yàn)前的一日，公司調(diào)度中心發(fā)布到水廠預(yù)案是第二天供水總量為12.8萬m3/d。根據(jù)以往的生產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，3月份臨晨1~7時(shí)水量占全天24.73%，8~16時(shí)占40.17%，17~24時(shí)占35.10%。根據(jù)水量推算，1~7時(shí)總水量為31673m3，8~16時(shí)為51461 m3，17~24時(shí)為44928 m3。先劈開排泥與反沖洗的影響，如果在0點(diǎn)時(shí)刻水庫水位為1.5m，若想在7時(shí)提高至2.5m以上，根據(jù)式2.3-4計(jì)算渾水量31673÷7+952.38=5477.09m3/h。8~16時(shí)51461÷9-370.37=5347.52 m3/h。17~24時(shí)5616-416.67=5199.34 m3/h。由數(shù)據(jù)可知，17~24時(shí)流量最低，建議將排泥水放至該時(shí)段，流量增加值為125 m3/h。濾池反沖洗平均分至3個(gè)時(shí)段內(nèi)，調(diào)整后流量分別為1~7時(shí)段5675.50 m3/h，8~16時(shí)為5501.84 m3/h，17~24時(shí)5497.95 m3/h，經(jīng)調(diào)整后各時(shí)段流量變化幅度≤180 m3/h，遠(yuǎn)低于單臺(tái)變頻泵的調(diào)節(jié)幅度，而且濾池反沖洗平均分?jǐn)偟礁鱾€(gè)班次，員工勞動(dòng)強(qiáng)度基本相當(dāng)，渾水量調(diào)配方案符合調(diào)度要求。

（2）水庫水位恢復(fù)模型應(yīng)用

       2013年3月份某日進(jìn)行了水庫水位恢復(fù)模型應(yīng)用試驗(yàn)。試驗(yàn)前進(jìn)行濾池反沖洗，并加濾池閥門開度夾小至50o，經(jīng)過實(shí)際測(cè)量得出濾池的正常濾速為6m/h，將濾池水位提高至高于正常水位10cm以上后，并將清渾水量調(diào)成4960 m3/h一致。根據(jù)式2.3-5計(jì)算得知t=∞，也就是清水庫水位不會(huì)增加。根據(jù)調(diào)度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在1h內(nèi)水庫水位無任何增長，理論計(jì)算與實(shí)際相符合。隨后將濾池出水閥門調(diào)大，平均濾速調(diào)至10m/h，經(jīng)過12min左右后水庫水位提升了10cm，同時(shí)濾池液位降低了13cm左右，實(shí)際結(jié)果與式2.3-5理論基本一致。

3.結(jié)論與建議

       水庫是水廠調(diào)度中常用的水量調(diào)配工具，水庫容量偏低會(huì)常常致使調(diào)度工作難以開展。

(1) 靜態(tài)影響因素雖然有滯水的不利因素，但是如果利用妥當(dāng)，發(fā)揮其有利因素也有利于生產(chǎn)調(diào)度。當(dāng)出現(xiàn)渾水量短時(shí)間內(nèi)偏大，則可以通過夾小濾池閥門，抬高濾池、沉淀池水位，來調(diào)整清渾水量差；

(2) 清渾水流量、沉淀池排泥、砂濾池反沖洗是動(dòng)態(tài)影響的主要因素，其中砂濾池是動(dòng)態(tài)影響的關(guān)鍵因素，調(diào)節(jié)砂濾池出水流量對(duì)于調(diào)度至關(guān)重要；

(3)建議水廠調(diào)度建立配水井、沉淀池、砂濾池、清水池面積、容積等基礎(chǔ)資料；

(4)建議每半年測(cè)一次砂濾池濾速，每半年測(cè)一次排泥水及反沖洗水量；

(5)建議每年測(cè)試并分析濾池出水閥門開度對(duì)出水流量的影響；

(6)清水量變化規(guī)律是渾水量的計(jì)算依據(jù)，建議水廠調(diào)度分析并建立清水量臺(tái)賬資料，并建立水量預(yù)測(cè)模型，以便于更好地進(jìn)行水量計(jì)算。

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