氣壓式供水設(shè)備在農(nóng)村供水工程中的應(yīng)用

李 鋒 任少峰 王曉娟

（岐山縣水利局 陜西 岐山 722400）

1 引言

2008年5月12 日四川汶川發(fā)生里氏8.0級(jí)強(qiáng)烈地震，其中四川、甘肅和陜西省被列為重災(zāi)區(qū)，作為臨近省份受到很大程度的影響，特別是漢中市、寶雞市災(zāi)情嚴(yán)重，寶雞地區(qū)十二個(gè)縣區(qū)全部受災(zāi)。對(duì)岐山縣水利工程破壞嚴(yán)重，其中全縣有59座水塔出現(xiàn)了不同程度裂縫，拆除重建11座，加固維修48座,部分供水設(shè)施停止運(yùn)行，致使14萬(wàn)人生活用水受到影響。在農(nóng)村供水中如何能使供水系統(tǒng)在自然災(zāi)害中將損失降到最低，又能保證安全供水，通過(guò)研究比較查閱資料，改變以前的供水設(shè)計(jì)思路，選用氣壓式供水設(shè)備代替水塔供水，作為供水試點(diǎn)工程，其設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好。

2 壓力罐的分類

氣壓式供水設(shè)備又稱氣壓供水裝置，它是利用密閉貯罐內(nèi)空氣的可壓縮性貯存、調(diào)節(jié)和壓送水的裝置，它兼有增壓、調(diào)壓、供水、儲(chǔ)能和水泵自動(dòng)運(yùn)行的功能。氣壓式供水設(shè)備能在水泵運(yùn)行周期內(nèi)連續(xù)自動(dòng)地向用戶供水，是一種取代水塔和高位水箱的配水調(diào)節(jié)設(shè)備。按供水機(jī)理可分為補(bǔ)氣式和隔膜式供水壓力罐。

3 氣壓式供水設(shè)備組成及工作原理

氣壓式供水設(shè)備由氣壓罐、水泵機(jī)組、電控柜、壓力控制器、安全閥、壓力表、止回閥等組成自動(dòng)給水系統(tǒng)。當(dāng)水泵啟動(dòng)后，通過(guò)補(bǔ)氣罐及進(jìn)氣閥同時(shí)向罐內(nèi)補(bǔ)氣補(bǔ)水，隨著水位的不斷升高，罐內(nèi)的氣體體積不斷縮小，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定最高壓力時(shí)，通過(guò)壓力傳感操縱水泵關(guān)閉，由于被擠壓的空氣具有膨脹力，擠壓罐內(nèi)的水具有一定壓力而不斷輸出讓用戶使用，隨著水的流出，罐內(nèi)壓力逐漸降低，當(dāng)罐內(nèi)壓力降到設(shè)定的最低壓力時(shí)，通過(guò)壓力傳感操縱水泵啟動(dòng)，水泵出水除供用戶外，多余部分進(jìn)入氣壓罐，空氣又被壓縮，壓力上升，達(dá)到設(shè)定最高壓力，壓力繼電器動(dòng)作使水泵關(guān)閉，這樣反復(fù)動(dòng)作向用戶恒壓供水。

4 氣壓罐的選型

氣壓罐選型以棗林鎮(zhèn)崔牌村供水工程為典型實(shí)例進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1 基本情況

棗林鎮(zhèn)崔牌村位于岐山縣城東南10km處，區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，全村共有4個(gè)村民小組278戶1050人，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況良好，多年來(lái)群眾飲水困難。

4.2 設(shè)計(jì)方案

工程設(shè)計(jì)是利用崔牌村原有機(jī)井一眼，安裝KLD系列補(bǔ)氣式氣壓罐供水設(shè)備1套，鋪設(shè)管網(wǎng)5.86km，供水入戶，解決崔牌村4個(gè)村民小組飲水不安全問(wèn)題。供水工藝流程為：水源深井泵→氣壓罐→配水管網(wǎng)→戶用水栓。

4.3 設(shè)計(jì)用水量計(jì)算

依據(jù)《陜西省村鎮(zhèn)供水工程初步設(shè)計(jì)要點(diǎn)》，工程設(shè)計(jì)使用年限10年，設(shè)計(jì)人口按6‰人口自然增長(zhǎng)率計(jì)算，則設(shè)計(jì)人口為1115人，居民用水標(biāo)準(zhǔn)以50L/人·d計(jì)，管網(wǎng)損失及不可預(yù)見(jiàn)水量按15%計(jì)算，即供水規(guī)模為64.1m3/d，最高日最大時(shí)用水量為6.68m3/h。

4.4 水源選擇

工程水源利用崔牌村1眼已成深機(jī)井，井深170m，根據(jù)機(jī)井抽水情況知，靜水位60m，動(dòng)水位80m，出水量20 m3/h以上。

4.5 氣壓罐容積及壓力確定

氣壓罐選型就是確定罐體的容積、最高壓力和最高壓力。氣壓罐容積計(jì)算，可根據(jù)下列公式進(jìn)行，先計(jì)算出氣壓罐調(diào)節(jié)水容積VX2（m3），再計(jì)算氣壓罐的總?cè)莘e V（m3）。

式中，V——?dú)鈮汗薜目側(cè)莘e(m3)；

VX2——?dú)鈮汗薜恼{(diào)節(jié)水容積(m3)；

qb——工作水泵出水流量（m3/h）；

n——水泵在1h的啟動(dòng)次數(shù)，宜采用6～8次；

C——安全系數(shù)，宜采用1.0～1.3；

ab——?dú)鈮汗迌?nèi)最低工作壓力（P1）與最高工作壓力（P2）比 ab=p1/p2，宜采用0.65～0.85；

β——?dú)鈮汗奕莘e系數(shù)；補(bǔ)氣式臥式為 1.25，立式為 1.10，隔膜式為 1.05，經(jīng)計(jì)算氣壓罐的總?cè)莘e為2.9（m3）。

其次，再根據(jù)管網(wǎng)水力計(jì)算確定氣壓罐的最高（最低）工作壓力。

最 低 工 作 壓 力 ：P1=（h1+h2+h3+h4）/102=（5.0+5.77+0.58+8）/102=0.18（MPa）；

最高工作壓力：P2=P1/ab=0.18/0.65=0.27（MPa）；

式中，p1——?dú)鈮汗拮畹凸ぷ鲏毫Γ∕Pa）；

p2——?dú)鈮汗拮罡吖ぷ鲏毫Γ∕Pa）；

h1——水源最低水位至管網(wǎng)最不利點(diǎn)之間高差（m）；

h2——水源最低水位至管網(wǎng)最不利點(diǎn)的管路沿程水頭損失（m）；

h3——水源最低水位至管網(wǎng)最不利點(diǎn)的管路局部水頭損失（m）；

h4——最不利點(diǎn)用水設(shè)備的流出水頭（m）；

經(jīng)計(jì)算，氣壓罐最低工作壓力為0.18 MPa，最高工作壓力0.27MPa。

設(shè)計(jì)選用KLD系列補(bǔ)氣式氣壓罐供水裝置，型號(hào)為KLD1400-4型立式氣壓罐，直徑1.4m，容積V=3 m3，工作壓力4kg/cm2，水泵每小時(shí)最大啟動(dòng)次數(shù)n=8次/小時(shí)。依據(jù)計(jì)算結(jié)果，氣壓罐壓力工作范圍最低工作壓力0.18 MPa，最高工作壓力0.27MPa。

工程設(shè)計(jì)供水量64.1m3/d，氣壓罐有效容積2.75m3，最高日水泵啟動(dòng)次數(shù)為23次/d；若時(shí)變系數(shù)取2.5，管網(wǎng)平均日平均時(shí)供水量2.05m3/d，則水泵每次開(kāi)啟9min即可注滿氣壓罐。

4.6 水泵及電氣設(shè)備

水源井井深170m，動(dòng)水位80m，涌水量20m3/d以上，水泵出水管選擇DN65，深井泵安裝深度100m，經(jīng)計(jì)算出水管水頭損失為14.98m，氣壓罐最高工作壓力為0.27MPa，則水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程H=100+14.98+27=141.98m，查水泵選型手冊(cè)確定水泵型號(hào)為200QJ20-148額定流量20m3/h，揚(yáng)程148m，電機(jī)功率13kW，所選水泵流量和揚(yáng)程可滿足氣壓罐供水運(yùn)行要求。

5 在供水工程中的運(yùn)營(yíng)優(yōu)勢(shì)

棗林鎮(zhèn)崔牌村供水工程自建成投入運(yùn)行以來(lái)，氣壓罐設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好與傳統(tǒng)的水塔式供水模式對(duì)比，優(yōu)勢(shì)明顯其主要表現(xiàn)在：①可取代水塔、高位水箱，結(jié)構(gòu)上有利于抗震減災(zāi)和建筑美觀；②占地面積小，安裝使用方便，便于工程擴(kuò)建；③一次性投資低，運(yùn)行成本低；④壓力罐是密閉器，直接與水泵連接，水與外界不接觸，保證了水質(zhì)不受污染；⑤操作簡(jiǎn)單、維修方便，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制和集中管理。

6 氣壓罐供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)

在崔牌村供水工程多年來(lái)的實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)隨著工程運(yùn)行年份的增加，管網(wǎng)滴水損失現(xiàn)象的不斷加大，原工程設(shè)計(jì)中利用深井泵直接加壓供水至氣壓罐這種方案，就加大深井潛水泵啟動(dòng)次數(shù)來(lái)保證管網(wǎng)壓力，原設(shè)計(jì)啟動(dòng)次數(shù)為6次/h～8次/h，現(xiàn)在啟動(dòng)次數(shù)變?yōu)榱?0次/h～12次/h。深井潛水泵作為高揚(yáng)程的抽水設(shè)備，適合在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)且啟停次數(shù)少的狀態(tài)下運(yùn)行，而與氣壓罐聯(lián)合供水，就造成了潛水泵頻繁多次啟停，使深井泵不能在高效區(qū)運(yùn)行，平均效率低，能耗大，而且運(yùn)行時(shí)間短，增大了水泵機(jī)組機(jī)械沖擊和多次切換時(shí)的震蕩現(xiàn)象，降低水泵使用壽命，增大了維修成本。為了延長(zhǎng)電機(jī)和泵體的使用壽命，提出在原運(yùn)行系統(tǒng)中加入管道泵給氣壓罐加壓供水方案，其供水工藝流程為：水源深井泵→蓄水池→管道泵→氣壓罐→配水管網(wǎng)→戶用水栓，用管道泵代替深井潛水泵向氣壓罐內(nèi)注水增壓，管道泵具有效率，安裝維修方便，更重要的是電機(jī)功率小，可以直接啟動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)壓降影響小，管道泵流量和揚(yáng)程可根據(jù)供水量和氣壓罐的最高工作壓力來(lái)確定。供水設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)真正起到了“多用水、多耗電、少用水、少耗電”，并且降低了深井泵因多次頻繁啟動(dòng)而造成損壞的大修成本，增加了工程運(yùn)行效益。

實(shí)踐證明，氣壓罐供水設(shè)備具有加壓能力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、投資少、無(wú)污染、使用方便等特點(diǎn)，是取代水塔、高位水箱的理想設(shè)備，具有很好的推廣價(jià)值。陜西水利