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- 2019-04-1810:29
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摘要：清水庫容量不足會導致清渾水量匹配困難，小容量清水庫廠級調度模式的研究對于指導水廠調度，節約生產能耗，降低勞動強度意義明顯。在對南方某小容量水庫水廠調度分析的基礎上，重點探討了廠級調度的靜態因素及動態因素影響程度及應對措施，并建立了相關數學模型。結果表明：靜態影響因素具有有滯水特性，當出現渾水量短時間內偏大，則可以通過夾小濾池閥門，發揮靜態因素性能來調整清渾水量差；濾池對水量傳輸限制是動態影響的主要因素，調度過程中須靈活應用各方面手段；生產試驗結果驗證了調度數學模型的準備性，對調度具有一定的指導價值。
關鍵詞：飲用水；水量調度；清水庫
水廠調度優化能夠節省運行成本，保護自然資源，提高服務質量，從而獲得更高的經濟效益和社會效益。對于廠級調度而言，其主要任務是利用水庫容量來調節清渾水量差，實現清渾水量的同步匹配。渾水流量的頻繁變化不但會加重泵站員工的工作負擔，而且會導致渾水管道壓力的頻繁波動，極易引起爆管，這對渾水管道的運行極為不利。面對流量實時變化的清水，如想做到渾水量不變或者盡量少作動作，就必須有足夠的清水庫容積來調配清渾水量差額。根據規范要求[1-4]，當管網無調節構筑物時，在缺乏資料情況下，可按水廠最高日設計水量的10~20%確定，小型水廠建議取大值。對于日供水能力24萬m3/d的水廠，其清水庫容積至少應為2.4萬m3，可以滿足3000m3/h清渾水量差下8h的調配。對于水庫容量不足的水廠而言，為了滿足清渾水量間的調配，使渾水能夠跟上渾水量變化就必須采用調節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作，采用何種調配方式來保證渾水管線的運行安全是供水人員必須關注與解決的，為此筆者以水廠實際生產調配為背景，研究并分析了小容量清水庫下廠級調度，以期為水廠的運行管理提供理論參考。
1.研究背景
B水廠地處蘇州城區西北部。總設計規模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，供水量設計為15萬m3/d。二期工程于1995年6月投產，供水量設計為15萬m3/d。
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2012年蘇州市自來水公司對B水廠進行升級改造，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行運行，剩余清水庫總量為2.1萬m3，實際有效容積僅為1.3萬m3。面對15~18萬m3/d的供水需求，現有水庫容量不足日最高供水量的8%，水庫容量極小，調度要求較高，需要經常調節渾水量與清水量間的匹配程度方能達到要求。
B水廠取水口位于通安鎮街西村，取水在太湖，距離水廠約14.5km的距離采取DN1400與DN1200雙管并聯供水。管線建于上世紀90年代，由于年限久遠，管線老化。廠內為了避免運行過程中爆管突發事件，對渾水管的輸水流量和壓力作了嚴格的限制。
2.結果與討論
水廠內水量影響按照性質不同，可以分為靜態和動態影響分兩個方面。具有盛水功能的濾池、沉淀池、清水庫、水塔是通過水量存儲的形式來影響水量，筆者稱之為靜態影響。具有水量調節功能的一泵房、二泵房是通過流量變化來影響水量，筆者稱之為動態影響。這兩方面作用對調度工作影響較大，須合理掌握其中規律。
2.1 靜態影響
清水庫的水位標高是調度過程中時常關心的問題，直接反應水庫的實際水量。水庫水位過低將降低供水的安全性能，會導致水庫被抽干，無水可供的生產事故，水位過高會導致水位溢出，浪費清水量。清水庫前的沉淀池、濾池、沖洗水塔、配水井等構筑物均具有盛水功能，因此這類構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高。在濾池的設計參數中有100mm左右的保護高度，因此濾池、沉淀池及配水井具有0.1∑Si左右的調節能力。
以B水廠為例，廠內沉淀池與濾池總影響面積為5250.36 m2，水位每波動0.1m時，水量將相差525 m3。如此大的水量存儲量會引起原水流量變化的反應遲鈍現象。2012年某日夜間，進廠原水4200m3/h，出廠清水量3800m3/h，1h內清水庫水位無任何變化，期間相差400 m3/h不知去向。經過調查發現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問題得到了很好的解決。該現象的主要原因是，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，從而導致水量的滯留現象，進而影響水庫水位遲遲不上升。這種現象在變水位變速過濾的水廠（如普通快濾池）時常會發生，因此對于使用變水頭變速過濾的水廠調度過程中須重點關注此種現象的發生。調度人員如不能很好地理解這方面的影響，只追蹤渾水流量，可能導致濾池水位的溢出，卻不能增加清水庫水位，進而會影響調度運行安全。
作為調度人員應該充分熟知從工藝最前端配水井至最尾端清水庫的構筑物表面積及有效調節高度，從而更好地分析出各類水量不匹配的具體原因，調度過程中不能僅盯清渾水量差。
靜態影響因素雖然有滯水的不利因素，但是如果利用妥當，發揮其有利因素也有利于生產調度。當出現渾水量短時間內偏大，則可以通過夾小濾池閥門，抬高濾池、沉淀池水位，來調整清渾水量差。以B水廠為例，沉淀池與濾池能夠具有525 m3的調節能力，當遇渾水量短時間偏大，或者渾水管檢修等突發事件時，可以利用這525 m3的蓄水功能來增大水量的保有量。
2.2 動態影響
動態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，會產生流量變化的位置主要在各個構筑物相連的部位。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構筑物的可能。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計流量運行要求，運行過程中各類閥門均處于敞開狀態。從水量角度，配水井、沉淀池與濾池可以視為一體構筑物，這3個構筑物中的任何一個構筑物水位的抬升都會引起其他2個構筑水位的一同變化，這3個構筑物不會限制水量的傳輸。
對于濾池與清水庫之間，由于二者之間具有砂濾層與閥門調節的影響，往往會導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現象，400 m3/h的流量差額正是由于濾池閥門的影響，因此濾池對水量傳輸限制是動態影響的主要因素。
圖2為閥門及濾層污染對濾池出水流量的影響，當濾池剛經過反沖洗，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。當降至一定程度，濾池出水流量降低時，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。當出水閥門開度達到100%時，濾層污染達到設計值時，濾池將進行反沖洗。左邊1圖是V型濾池恒水位等濾速的運行模型，V型濾池通過不斷調節出水閥門，縮短濾層影響時間，使得濾速在小范圍內作波動。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圖是普通快速池實際操作過程的一種情況，由于工人操作存在無規律性，常常會出現閥門開度早晚及大小間的誤差影響。
除濾池之外，動態影響還包括沉淀池排泥，濾池反沖洗水等。當水廠出現短期的渾水量偏高時，可以通過提前排泥來減少渾水進入濾池進而進入清水庫。當清水庫水位偏高時，可以通過夾小濾池出水閥，提前進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現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。濾池的沖洗時間為6min，反沖洗強度為14L/(s.m2)，每只濾池的反沖洗水量為347.21 m3，共有濾池12只，通過反沖洗能調節的流量為4166.52m3，也就是說可以72min內最大可調節4166.52m3的水量，當水庫水位過高時，可以通過反沖洗濾池來進行水庫液位的壓制。同時在水庫水位不足情況下，應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，調節能力僅為13333.34m3。如果清渾水量差為2000m3/h時，1h內將引起0.3m左右的水位變化，但此時如果面對靜態因素影響，發生沉淀池與濾池貯水，將直接影響調度人員的水量判斷。
2.3數學建模
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的水量關系，清水庫的變化與不但與清渾水量差有關，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。
式2.3-3可以用于指導水庫水位的調整，保障水庫安全。在實際的調度過程中，對于固定水廠△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變化規律后，可以用式2.3-4來進行渾水量的計算，指導實際生產。
清水庫水位的恢復時間是調度過程中另外一個重要指標，這對于渾水量調配至關重要。恢復時間主要跟清渾水量差、濾池濾速、閥門等因素相關，清水庫水位的恢復時間可以參見式2.3-5。
式2.3-5表明，清水庫水位的恢復時間與濾池濾速、清水流量直接相關，渾水流量只是通過對濾池濾速影響而對其間接相關，因此當渾水流量調整過后，一定要對濾池閥門進行相應的調節方能保證清水庫水位的快速反應，2.1節中的案例很好地解釋了這個現象。
2.4模型應用
（1）渾水量計算模型應用
為了驗證模型的實用性能，特別選擇了2013年3月份某日進行了渾水量計算模型應用試驗。實際水廠運行參數見表1
在試驗前的一日，公司調度中心發布到水廠預案是第二天供水總量為12.8萬m3/d。根據以往的生產數據發現，3月份臨晨1~7時水量占全天24.73%，8~16時占40.17%，17~24時占35.10%。根據水量推算，1~7時總水量為31673m3，8~16時為51461 m3，17~24時為44928 m3。先劈開排泥與反沖洗的影響，如果在0點時刻水庫水位為1.5m，若想在7時提高至2.5m以上，根據式2.3-4計算渾水量31673÷7+952.38=5477.09m3/h。8~16時51461÷9-370.37=5347.52 m3/h。17~24時5616-416.67=5199.34 m3/h。由數據可知，17~24時流量最低，建議將排泥水放至該時段，流量增加值為125 m3/h。濾池反沖洗平均分至3個時段內，調整后流量分別為1~7時段5675.50 m3/h，8~16時為5501.84 m3/h，17~24時5497.95 m3/h，經調整后各時段流量變化幅度≤180 m3/h，遠低于單臺變頻泵的調節幅度，而且濾池反沖洗平均分攤到各個班次，員工勞動強度基本相當，渾水量調配方案符合調度要求。
（2）水庫水位恢復模型應用
2013年3月份某日進行了水庫水位恢復模型應用試驗。試驗前進行濾池反沖洗，并加濾池閥門開度夾小至50o，經過實際測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，并將清渾水量調成4960 m3/h一致。根據式2.3-5計算得知t=∞，也就是清水庫水位不會增加。根據調度數據發現在1h內水庫水位無任何增長，理論計算與實際相符合。隨后將濾池出水閥門調大，平均濾速調至10m/h，經過12min左右后水庫水位提升了10cm，同時濾池液位降低了13cm左右，實際結果與式2.3-5理論基本一致。
3.結論與建議
水庫是水廠調度中常用的水量調配工具，水庫容量偏低會常常致使調度工作難以開展。
(1) 靜態影響因素雖然有滯水的不利因素，但是如果利用妥當，發揮其有利因素也有利于生產調度。當出現渾水量短時間內偏大，則可以通過夾小濾池閥門，抬高濾池、沉淀池水位，來調整清渾水量差；
(2) 清渾水流量、沉淀池排泥、砂濾池反沖洗是動態影響的主要因素，其中砂濾池是動態影響的關鍵因素，調節砂濾池出水流量對于調度至關重要；
(3)建議水廠調度建立配水井、沉淀池、砂濾池、清水池面積、容積等基礎資料；
(4)建議每半年測一次砂濾池濾速，每半年測一次排泥水及反沖洗水量；
(5)建議每年測試并分析濾池出水閥門開度對出水流量的影響；
(6)清水量變化規律是渾水量的計算依據，建議水廠調度分析并建立清水量臺賬資料，并建立水量預測模型，以便于更好地進行水量計算。
參考文獻
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