基于智慧供水理念的典型居民区供水工程改造设计与评价

2022-11-11林荣新

水利技术监督 2022年11期

林荣新

(深圳市利源水务设计咨询有限公司，广东深圳 518172)

城市供水作为重要的基础设施，是城市生产呵护人民生活不可或缺的基本物质条件，是城市经济发展的重要保障，被人们称为“城市生命工程”。龙岗布吉片区一些高层小区面临供水设备老旧、设施材质不达标、无智能化运维管理系统、泵房环境不达标等供水问题[1- 2]，严重影响居民安定生活以及企业经营发展。

本文以龙岗布吉片区供水工程为研究背景，评估给水系统现状，针对给水管网系统存在的问题提出改造方案，建设标准化、智慧化泵房管理系统，加强智能化控制运行及远程监控管理，实现泵房内无人、在线、实时监控，提升泵房环境，全面消除水质二次污染问题[3- 5]。

1 给水系统现状及问题分析

1.1 市政给水系统现状

供水范围主要分为坂田片区、布吉和南湾及吉华片区2个部分。

坂田片区现状供水主要由坂雪岗水厂和片区外供水通道组成。坂田片区本地水厂供水占坂田总供水量的14%，片区外供水的量占总供水量的86%，片区内供水能力自给保障率低，如图1所示。

布吉以及南湾街道市政供水主要由沙湾一水厂及沙湾二水厂供水，仍存在部分区域由现状村级水厂供水，村级水厂逐步整合取消后，现状市政水压较低，难以满足片区内高区用户的供水水压要求，且市政供水规模不足以满足区域内供水需求。

图1 坂田片区现状供水管网系统图

1.2 市政管网现状

坂田片区配水管网主要包括2个部分，一部分为3座村级水厂的配水管，主要沿各村现状村道敷设；另一部分为随着各规划路的实施而敷设的市政给水管网，随着各规划路的实施及市政给水管网的建设，坂田片区主要的供水管网系统已基本形成。

布吉和南湾片区在村级水厂整合完成后，主要水源由现状村内的村级水厂转变为南北两侧的市政供水管，形成南北两侧供水干管向中间供水的格局。

1.3 小区供水管网及泵房存在的问题

经现场调研，现状供水片区143个小区存在的供水问题主要有：大部分小区管网漏损率大于5%，影响水质又浪费水资源；给水管材不达标引起“黄水”“锈水”“漏水”现象；早期建设标准不高，设施老化锈蚀，设备陈旧损毁，能耗高噪音大；物业服务企业管理水平有限，日常维护管理不善，水池(箱)隐患大；私改管道泵直抽现象严重，使水质受到二次污染，难以重新清洗消毒投入使用；泵房环境脏、乱、差；缺乏现代化监测安防系统，导致水质预警滞后。

2 智慧泵房综合选型

2.1 供水方案确定依据

本次提标改造的根本任务是“解决水质二次污染问题，推动实现远期城市自来水可直接饮用”，供水设施提标改造要根据各区不同情况的给水系统对给水管网及泵房进行改造，供水方式的改造力求做到以下3点。

(1)优先考虑智慧水泵。绿色和谐、高效节能，是本次提标改造设计的重要原则，工频水泵运行工况单一，不能做到软起动，不利于系统的安全稳定。变频调速水泵可依据系统供水压力信号的反馈，改变电源的频率以调整水泵的转速，节省能耗。

(2)合理利用供水现状。为确保改造后的二次供水系统与小区室外管网系统的匹配和兼容，在二次供水系统竖向分区上，供水方式确定要做到尽量尊重现状，利用现状，只要原供水方式安全稳定，就维持原供水方式不变。

(3)保障消防系统。对于生活消防合用的供水系统，为避免影响消防系统的正常运行，应尽量避免改造中牵动消防系统。水池生活消防合用时，若泵房空间充足，优先考虑单独设置生活水箱，反之优先考虑叠压供水方式；水泵生活消防合用时，优先考虑重新设置生活水泵，将原水泵留作消防用。

2.2 地下水池(箱)+变频调速水泵供水

由水泵从地下水池(箱)取水，通过变频器改变供电频率控制水泵电机转速，使水泵转速和流量可调节，由水泵、控制柜(含变频器)、压力检测仪表、管路、阀门等组成，如图2所示。

图2 地下水池(箱)+变频调速水泵系统示意图

该方式供水压力恒定，满足用水点水压要求，设备占地少，解决了传统的高位水箱供水顶层用户压力不足及屋顶水箱水质二次水污染的问题，具有节能高效、便于维护、安全可靠、智能化程度高等显著优势，但若水泵选配不当，将导致水泵变频运行不在高效区，节能效果受限。进口价格昂贵，设备投资相对较高。

2.3 管道直联叠压供水

管道直联叠压供水技术继水箱、工频水泵、变频调速水泵后发展的直接串接到市政给水管网的引入管或有压管道上加压的新型给水设备，可充分利用市政供水管网的压力，减少水泵扬程，节省电耗；省去地下水池(箱)、吸水井等构筑物，节省投资，简化系统[6- 7]；可防止水在地下水池(箱)等构筑物中的二次污染和可能的溢流水损失，方便管理维护，便于水泵自动控制。其中罐式叠压供水采用稳流补偿器(压力罐)做调蓄设施的叠压供水设备，主要由稳流罐、变频调速泵组、气压水罐、变频控制柜、管道、阀门及仪表等组成，基本组成如图3所示。

图3 罐式叠压设备供水系统组成示意图

2.4 智慧化集成泵站

智慧化集成泵站整体形式与箱式叠压较为相似，市政来水进入一体式水箱，变频泵抽取水箱内生活用水并加压向用户供给，控制柜中设有更新程序，定时循环低位水箱中的水，保障饮水安全。系统主要由低位水箱、主泵机组、变频控制柜、增压装置、引水装置、稳流罐、流量控制器及压力传感器等组成。智慧化集成泵站供水系统的基本组成如图4所示。

图4 智慧化集成泵站供水系统组成示意图

3 供水工程设计实践

3.1 小区泵房情况评估

本次给水改造各个小区分散各自独立，各小区设计范围较小，采用居民生活用水定额预测方法进行计算[8]，本设计案例小区为龙岗区樟富南路鸿润豪苑，小区基本情况见表1。

表1 小区基本情况表

小区二次供水泵房位于地下负一层，现状供水方式为低位水池+变频泵。现状生活消防用水分离，低位生活水池容积101m3，泵房所在楼栋地面一层为架空层无住户。

3.2 供水系统改造

经排查该小区二次供水系统存在设施材质不达标、设施老旧能耗高、泵房环境不达标、无智慧化运维管理系统、无消毒设施等问题。根据存在的问题确定本次提标改造内容主要有：①更换节能高效的水泵；②对供水管网及阀门等附属设施材质进行提标；③地下水池及其配套的进、出水管、溢流管、放空管等设施，屋顶水池独立为消防水池；④增设消毒设施；⑤控制与保护系统；⑥智慧化二次供水系统；⑦泵房装饰装修。

3.3 供水工程设计及方案对比

3.3.1 设计流量计算

小区内生活给水管道采用设计秒流量。根据计算管段上的卫生器具给水当量总数，可按下式计算得出该管段的卫生器具给水当量的同时出流概率。

(1)

式中，U—计算管段的卫生器具给水当量同时出流概率，%；ac——对应于不同U0的系数；NG——每户设置的卫生器具给水当量数。

根据计算管段上的卫生器具给水当量同时出流概率，可按照下式计算管段的设计秒流量[9]。

qG=0.2·U·NG

(2)

式中，qG——计算管段的设计秒流量，m3/h;其余变量含义同前文所述。

设计流量计算表计算结果见表2。

表2 设计流量计算表

3.3.2 水泵扬程计算

变频调速水泵的供水压力应满足最不利配水点所需水压，采用恒压变流量供水时水泵(组)出水口压力，应按下式计算确定，

H=H1+H2+H3

(3)

式中，H—水泵出水口设计压力，m；H1—最不利配水点与水泵(组)出水口中心的标高差，m；H2—最不利配水点至水泵(组)出水口管道的沿程、局部水头损失之和，m；H3—建筑物内最不利配水点满足工作要求的最低工作压力，m。

普通住宅小区的生活给水管道的设计扬程见表3。

表3 设计扬程计算表

3.3.3 改造方案与现状对比

现状水泵低区总功率50.5kW，改造后水泵低区总功率16kW。改造设计泵组流量、扬程与原设计相近，能满足泵房运行需求，参数见表4。

表4 改造方案与现状对比表

4 供水工程改造效益评价

优质饮用水的推广和发展，不仅仅意味着清洁、方便、安全的城市供水，更在于其所要求的水资源利用、水污染治理、水源地保护等水生态文明的统筹践行，对推进相关产业的改革、创新与发展，有着巨大的经济效益和社会效益。

4.1 社会效益评价

本项目实施后，将会极大改善城市中居民小区供水条件，保障广大居民生活及企业用水、缓解城市供水中存在的诸多问题、提高供水安全可靠性。对进一步完善城市基础设施建设、改善城市投资环境、促进宝安区经济发展、提高辖区城市化水平，对树立良好的政府形象，维护社会稳定，促进城区的可持续发展都具有十分重要的意义。

4.2 工程经济评价

4.2.1 经济评价指标计算

龙岗区优质饮用水入户工程系城市市政给水工程，是城市基础设施的建设项目，属于公共事业范畴，按相关“规范”对管道、管网、泵房等供水工程改造的正常运行期为40～60年。工程的正常运行期为40年，建设期为1年，因此工程的计算期为41年。按照工程建设的第一年为计算时间的开始，社会折现率为8.0%。经济内部收益率EIRR是国民经济评价的主要指标，经济净现值为辅助参数，本工程项目中EIRR为11.2%，经济净现值为1365.4万元，经济费用效益比为1.25>1。说明本次工程改造在经济效益上是可行的。