深圳市二次供水设施改造工程设计探讨

彭小军, 许拥军, 杨 芸

(深圳市利源水务设计咨询有限公司, 广东 深圳 518000)

2019 年12 月印发的《深圳市建设中国特色社会主义先行示范区的行动方案》(2019—2025 年)》提出,到2025 年率先实现自来水全市直饮。 城市直饮水全覆盖的实现,需从源头到用户龙头全流程管控,包括水源建设、供水集约化及水厂工艺升级、老旧市政管网更新、优质饮用水入户工程(指小区埋地管、明装主管、水表组及表后管改造工程)。 随着市政供水设施及管网系统不断升级,二次供水设施改造工程的实施,将重点解决供水系统“最后一公里”用户龙头水质安全及水压保障问题。

为规范指导二次供水设施的设计及建设,2020年深圳印发的SJG 79—2020《二次供水设施技术规程》。 本文探讨二次供水设施改造设计的关键技术要点,总结二次供水设施改造的难点,提出优化的合理性建议,为城市二次供水设施改造提供有意义的借鉴。

1 二次供水设施现状分析

(1)建设标准低,供水短板凸显

泵房空间小,环境闷湿,卫生条件差,设备标准低,噪音大,故障率高且稳定性差,用电成本高。

(2)供水设施老化,存在水质污染风险

泵房内管道多为镀锌钢管,腐蚀严重,已引起“黄水”“红水”等污染事件;供水水箱采用钢筋混凝土材质,与水发生反应,影响水的酸碱度;余氯衰减导致微生物繁殖,增加水质污染风险。

(3)生消水池合建,水力停留时间长

生活和消防水池合建,水体流通性差,停留时间长,余氯衰减严重,抑制细菌生长能力的削弱。

(4)智慧化与自动化程度低,耗时耗力

泵房缺乏多参数水质在线监测、安防系统、自控平台等管理措施,巡检工作量大,管理效率低。

(5)责任单位缺乏专业管理人员,履职不到位

泵房管理职责在物业单位,而供水设施本身有其综合性及复杂性,物业单位缺乏专业管理人员,大多数泵房无法有效管理,履职不到位情况普遍。

2 二次供水设施改造内容

通过对居民小区二次供水设施进行调查、评估,确定改造范围。 二次供水改造的红线范围为泵房内所有供水设施,起点和终点为泵房进出水管道与二次供水设施的接驳处。 建设内容包括加压水泵,存在水质安全隐患的水池(箱)及配套设施(溢流管、放空管、通气管、玻璃管液位计、爬梯等),水泵进出水管道及其附属设施(阀门、电接点压力表、多功能止回阀、水锤消除器、压力变送器等),电气控制系统(水泵配套的双电源柜、PLC 柜、变频柜等控制系统),紫外线消毒设施增设,泵房装饰环境提升(地面及墙体装修优化、泵房隔音、吊顶装饰等),智慧化平台建设(增设数据采集与监视控制系统、安防视频系统和门禁系统等安防及智慧管理系统等)。

3 工程设计技术重难点

3.1 “两项工程”施工时序不同,系统衔接难

二次供水设施改造与优质饮用水入户工程,简称“两项工程”。 对泵房内二次供水设施进行改造时,已实施优质饮用水入户工程的中高、高层小区的供水管网系统未分区,后续立项实施的二供泵房设计,加压水泵组依据现状楼层及用户进行优化分区,会出现水泵分区与供水系统无法匹配的情况。 最典型的“低位水箱→工频水泵→高位水池→居民用户”供水模式,上行下给供水,减压阀分区供水,是本次讨论如何实现“两项工程”衔接的重点。 二次供水工程需要优化设计思路,增加合理供水分区,新建低区或中区管道,实现独立分区,降低能耗,同时可取消其屋顶水箱供水,仅保留消防供水功能。

3.2 二次供水方式调整,衍生节能降耗问题

据深圳供水企业供水用户信息统计,二次供水改造工程实施前,高位水箱供水方式占比约33%,变频调速供水方式占比45%,叠压供水方式占比22%,按照SJG 79—2020《二次供水设施技术规程》进行二次供水改造后的泵房,低位水箱(池)+变频供水的方式占比90%,征得供水企业同意后实施叠压供水的占比为10%。 加压设备更新升级,水泵及电机效率提高,自控系统更加智能化,水泵切换运行更加灵活,但部分泵房加压及配套电气设施总耗电量并未降低,反而增加,其中水泵设备的用电量一般占比泵房总用电量的80%以上,二次供水方式的调整,带来节能降耗问题,如何选择合理的供水设计方案,是二次供水工程关联能耗的关键点。

3.3 水力停留时间长短,影响供水水质

通过流体力学模拟水池的水力状态可知[1],未设导流墙(板)的水池,水池内流态表现为紊流状态,池内边缘区水体流动缓慢,形成死水区,即便增设导流墙(板),当低位水箱(池)水体停留时间过长时,随着水体中余氯的衰减,水质二次污染的风险明显增加。 选择合适的水力停留时间,确保水池出水满足GB 5749—2022《生活饮用水卫生标准》规定的末梢水总余氯值不小于0.05 mg/L。

3.4 水池内部材质问题,存在水质风险

结合现场踏勘可知,现状低位水池(箱)分混凝土水池和不锈钢水箱两种,其中混凝土水质内壁材质主要有瓷砖、水泥、涂料三种,不同内壁材质,对于余氯衰减及水体pH 值影响不同,余氯余值和pH 大小均会影响HOCl 浓度,消毒能力下降,池壁微生物滋生,出水水质存在二次污染的风险。

3.5 泵房设备运行,引发噪音污染

水泵房噪声是由水泵运行噪声和电机噪声引起的综合噪声源,属于低频噪声(频率在500 Hz 以下的声音),特点是穿透力极强、衰减缓慢、声波较长、其衍射波能轻易绕过障碍物。 水泵房内的噪音应符合GB 3096—2008《声环境质量标准》,居民住宅属于1 类声环境功能区,昼间环境噪声限值为55 dB(A),夜间噪声限值为45 dB(A)。 二次供水工程设计将降噪作为关键环节控制,避免带来噪音污染。

3.6 泵房智慧化水平低,安防系统缺失

现状泵房建设年代久,水质在线监测缺失,自控系统软件需升级,智慧化水平低,与深圳二次供水工程智慧化、智能化的要求存在差距;建立二次供水数据化、信息化系统是智慧水务智控平台的核心。

4 技术难点解决措施

4.1 优化供水分区,两项工程契合

以深圳市某30 层小区为例,该小区优质饮用水入户工程已竣工,二次供水改造前为上行下给的供水模式,即地下水池+工频泵→屋顶水箱→用户,见图1。

4.1.1 合理分区,增设加压设施

二次供水改造时,根据楼层及供水用户情况重新分区,其中低区为2 ～10 层,中区为11 ～20 层,高区为21～30 层。 依据分区服务人口数量,新建管径合理的中、低区加压管道,连接中、低区泵,拟新建分区管道与主供水管道(现状供至屋顶水箱的管道)沿着相同路线,埋地或明装至管道井。

4.1.2 优化立管设计,实现分区独立

保持现状下行供水管,底部与管道井内中区加压管相连,在设计高区与中区分区处(20 层)安装干管减压阀和分区阀门,20 层以上原下行供水管为高区立管,20 层以下原下行供水管为中区立管。 新建一根低区立管,底部与管井内低区加压管接驳,顶部与中区管相连,连接处设减压阀、分区阀门,各分区顶部设复合式微量排气阀。 二次供水工程完成前,维持原上行下给供水模式,二次供水工程完成后,拆除分区阀门及主管减压阀,三个分区实现独立供水。

4.1.3 改造前后系统衔接,确保供水稳定与安全

现状供水方式为上行下给,主供水管到达水箱后,由水箱出水下行至各层用户。 在水箱进水管和出水管之间安装连通管及阀门,在水箱进水管(连通管三通后)加装计量水表及倒流防止器,水箱出水管后安装阀门。 二次供水实施前,连通管阀门关闭,水箱出水管阀门开启,保障用水安全与稳定;二次供水实施后,水箱出水管阀门关闭或法兰封堵,连通管阀门开启,取消水箱生活功能,仅保留消防功能。

4.2 拓宽设计思路,深挖降耗空间

4.2.1 优化水泵选型,合理参数配置

全面收集现状供水数据,准确计算水泵流量及扬程,确保水泵参数与实际用水变化曲线贴切,确保水泵效率可满足水泵规定最低点效率,保障同型号多台水泵并联时,可在高效区的末端运行。 结合泵房全天供水水量曲线及效率值可知[2],夜间低峰用水时段,水泵效率较低,单位供水量能耗数值较高,水泵运行不在高效区间,此时,二供设计应合理配置辅助加压水泵,增强因需水量变化灵活调整供水能力。 目前,“全流量高效变频调速方法”相比较常见的变频调速供水设备节约能耗约40%。

4.2.2 复核供水条件,叠压供水再研究

根据《二次供水设施技术规程》,叠压供水的技术要求需满足:市政供水管径不小于300 mm,高峰期市政供水压力值不小于0.28 MPa,市政供水管为引入管管径2 倍以上,启动或切换叠压设备,市政供水管网压力瞬间变动值小于0.02 MPa 等。 同等供水条件下,高峰期频繁进水时,低位水池(箱)自由水头进水时的流量引起的波动,对市政管网的瞬间压力影响大于叠压供水。

当市政供水条件均符合技术要求,能保证连续供水,高保障率,且征求供水企业同意后,可通过管网数学模型对拟采用叠压设备周边区域的供水情况进行水力模拟,分析不同工况下水力条件,适当考虑叠压供水在二次供水中的使用,依据《给排水设计手册》第二册《建筑给水排水》表1—40,叠压变频供水的能耗小于1,可达到较理想的节能降耗目的。

4.2.3 借力市政压力,推广应用新技术

水泵吸水管分两路,一路是低位水池(箱),一路是市政压力直供。 射流辅助装置安装在水泵吸水管道上,市政来水经过射流装置,产生负压,负压处联通水池来水,水泵进水即可利用市政压力供水,又可使用水池贮存清水。 当供水系统运行时,带压的市政供水与低位水池(箱)供水经过射流辅助装置,混合后以定量扬程供至水泵吸水口,充分利用市政压力,降低泵房水泵扬程,市政供水与低位水池(箱)并联供水,降低低位水池(箱)二次污染风险,该技术已在工程实践中使用,节能效果约20%。

4.3 水力停留时间

根据朱玉兰等[3]试验表明,当水体中的微生物生长指数GI＜0 时,微生物可被余氯灭活;当水体中的微生物生长指数GI＞0 时,微生物有繁殖趋势,水箱出水存在微生物超标风险。 许拥军[4]研究表明,按照完全推流式水箱进水余氯浓度最不利工况0.05 mg/L 的情况下,通过研究在一定的衰减系数下,余氯不断衰减,GI先降低后不断上升,水力停留时间临近7.2 h,水体中的微生物生长指数GI接近于0,水质开始存在二次污染的风险。

依据GB 50015—2019《建筑给水排水设计标准》3.8.3 章节:“生活用水低位贮水池的有效容积,当资料不足时,宜按建筑物最高日用水量的20%～25%确定。”在市政管网无法正常补水的情况下,为保障贮水池水量充足,按照最高日用水量的25%确定有效容积,平均水力停留时间为6 h,既符合国标参数要求,又可确保停留时间内微生物生长指数GI＜0,保障水质安全。

同时,为加快自来水在水箱(池) 中的流动性[5],大幅度减少死水区,确保水箱各处水体都可在6 h 内得以换活,应优化水箱(池)内部结构,首选进水口与出水口成对角布局,提高水力效率,避免短流或回流出现,设置导流板,导流板长度应大于水池长度的3/4,根据需要适时增加导流板数量。

4.4 水池内部材质问题

结合相关研究实验数据[6],选取混凝土、涂料、食品级瓷砖、不锈钢作为水池内部材质,同样进水水温、余氯、pH 环境下,余氯衰减系数及pH 变化由大到小依次为:混凝土＞涂料＞食品级瓷砖＞不锈钢;混凝土及涂料在水体中释放耗氯性物质,加速余氯衰减。 在使用加氯消毒的自来水中,消毒剂有效成分是HOCl,pH 升高会使得HOCl 的比例下降,造成壁面附近的消毒能力下降[7]。

在其它条件相同的情况下,从控制微生物角度考虑,混凝土最差,不锈钢最为理想,若不锈钢贴片与混凝土池壁无法严丝合缝,则效果不佳。 涂料为高分子材料,长期在饱和水体浸泡有脱落、水解风险,在温差变化、干湿交替时出现的热胀冷缩现象,由此会产生漆膜开裂导致防护层缺陷。 符合GB 4806.4—2016《食品安全国家标准陶瓷制品》食品级瓷砖为混凝土水池内部贴片材料,是较为合适的选择,水池内各项水质指标满足《深圳市生活饮用水卫生规范》(2018 年版)规定的限值要求,安全卫生、感官愉悦、品质优良,可直接饮用的自来水。

根据深圳供水企业水质监测数据,对二次供水监测数据进行了分析。 二次供水设施改造后对浊度、游离氯、铁离子有较大改善效果,水质综合达标率提升4.49%。

4.5 多重降噪,提高声环境质量

首先,水泵隔振:根据水泵功率大小,在水泵机组与基础之间安装JSD 型橡胶减震垫或ZD 型阻尼弹簧复合减震器。 其次,管道隔振:跟水泵连接管道的所有支、吊架用弹性连接代替刚性连接,水泵的进出水口、穿墙处采用可曲挠单球或双球合成橡胶接头。 再次,物理吸音:借助珍珠岩或岩棉吸音材料,当声波进入吸声材料孔隙后,立即引起孔隙中的空气和材料的细小纤维振动,由于磨擦和粘滞阻力,声能转变为热能被吸取和耗散掉。 最后,消音止回:水泵出水管道安装静音式止回阀,除防止水体倒流,也可消除停机等突发事故下液体流速的急剧变化,引发水锤现象,导致管道和设备振动。

4.6 大数据时代,智慧化集成平台

建立二次供水信息管理系统,利用通信网络集成泵房自动化控制、数据采集、监视控制系统、安防视频系统和门禁系统等,通过电脑端及移动端实现数据采集和监控、设备运行维护以及系统管理的自动化、信息化,通过数据建模分析优化运行管理流程。 深圳市盐田区2018 年率先启动居民小区二次供水设施提标改造工作,实现智能供水、智能识别、人机互动、能耗管理等一系列系统进行有效集成,作为全国首个自来水直饮示范区,改造后运行数据显示,减少人力成本的投入约80%,规避水质污染的风险95%以上,降低漏水率达到90%,延长二次加压设备使用寿命1.5 倍,“智慧水务+大数据”系统集成多维度管理,将供水运维数据化、可视化、智慧化,实现少人或者无人值守管理模式。

5 结论与建议

通过对二次供水设施改造工程现状分析,了解到本工程存在的问题以及改造的必要性,梳理需要改造内容,从中发现设计阶段应注意的重难点,主要涉及到两项工程衔接、设备合理选型、混凝土水池内壁贴片材质选择、水力停留时间设计,噪音污染控制、智慧化泵房建设;确保泵房内外供水系统流畅,设备高效节能运行,水质安全得以保障,运维状态无扰民,同时基于二次供水信息管理系统,实现“智慧水务+大数据”集成化、智能化,实现少人或者无人值守管理模式,提高管理效率。

上述技术措施讨论,是基于深圳二次供水设施改造工程实施过程中积累的部分经验,可为后续的同类工程的实施提供一定的参考,同时部分技术措施也需结合实际水泵运行进一步商榷与研究,以便于更好的提供科学的依据,更广泛的推广应用。