氣壓式供水設備在農村供水工程中的應用

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 日四川汶川發生里氏8.0級強烈地震，其中四川、甘肅和陜西省被列為重災區，作為臨近省份受到很大程度的影響，特別是漢中市、寶雞市災情嚴重，寶雞地區十二個縣區全部受災。對岐山縣水利工程破壞嚴重，其中全縣有59座水塔出現了不同程度裂縫，拆除重建11座，加固維修48座,部分供水設施停止運行，致使14萬人生活用水受到影響。在農村供水中如何能使供水系統在自然災害中將損失降到最低，又能保證安全供水，通過研究比較查閱資料，改變以前的供水設計思路，選用氣壓式供水設備代替水塔供水，作為供水試點工程，其設備運行穩定，效果良好。

2 壓力罐的分類

氣壓式供水設備又稱氣壓供水裝置，它是利用密閉貯罐內空氣的可壓縮性貯存、調節和壓送水的裝置，它兼有增壓、調壓、供水、儲能和水泵自動運行的功能。氣壓式供水設備能在水泵運行周期內連續自動地向用戶供水，是一種取代水塔和高位水箱的配水調節設備。按供水機理可分為補氣式和隔膜式供水壓力罐。

3 氣壓式供水設備組成及工作原理

氣壓式供水設備由氣壓罐、水泵機組、電控柜、壓力控制器、安全閥、壓力表、止回閥等組成自動給水系統。當水泵啟動后，通過補氣罐及進氣閥同時向罐內補氣補水，隨著水位的不斷升高，罐內的氣體體積不斷縮小，當壓力達到設定最高壓力時，通過壓力傳感操縱水泵關閉，由于被擠壓的空氣具有膨脹力，擠壓罐內的水具有一定壓力而不斷輸出讓用戶使用，隨著水的流出，罐內壓力逐漸降低，當罐內壓力降到設定的最低壓力時，通過壓力傳感操縱水泵啟動，水泵出水除供用戶外，多余部分進入氣壓罐，空氣又被壓縮，壓力上升，達到設定最高壓力，壓力繼電器動作使水泵關閉，這樣反復動作向用戶恒壓供水。

4 氣壓罐的選型

氣壓罐選型以棗林鎮崔牌村供水工程為典型實例進行設計。

4.1 基本情況

棗林鎮崔牌村位于岐山縣城東南10km處，區內地勢平坦，全村共有4個村民小組278戶1050人，農業生產狀況良好，多年來群眾飲水困難。

4.2 設計方案

工程設計是利用崔牌村原有機井一眼，安裝KLD系列補氣式氣壓罐供水設備1套，鋪設管網5.86km，供水入戶，解決崔牌村4個村民小組飲水不安全問題。供水工藝流程為：水源深井泵→氣壓罐→配水管網→戶用水栓。

4.3 設計用水量計算

依據《陜西省村鎮供水工程初步設計要點》，工程設計使用年限10年，設計人口按6‰人口自然增長率計算，則設計人口為1115人，居民用水標準以50L/人·d計，管網損失及不可預見水量按15%計算，即供水規模為64.1m3/d，最高日最大時用水量為6.68m3/h。

4.4 水源選擇

工程水源利用崔牌村1眼已成深機井，井深170m，根據機井抽水情況知，靜水位60m，動水位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。氣壓罐容積計算，可根據下列公式進行，先計算出氣壓罐調節水容積VX2（m3），再計算氣壓罐的總容積 V（m3）。

式中，V——氣壓罐的總容積(m3)；

VX2——氣壓罐的調節水容積(m3)；

qb——工作水泵出水流量（m3/h）；

n——水泵在1h的啟動次數，宜采用6～8次；

C——安全系數，宜采用1.0～1.3；

ab——氣壓罐內最低工作壓力（P1）與最高工作壓力（P2）比 ab=p1/p2，宜采用0.65～0.85；

β——氣壓罐容積系數；補氣式臥式為 1.25，立式為 1.10，隔膜式為 1.05，經計算氣壓罐的總容積為2.9（m3）。

其次，再根據管網水力計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——氣壓罐最低工作壓力（MPa）；

p2——氣壓罐最高工作壓力（MPa）；

h1——水源最低水位至管網最不利點之間高差（m）；

h2——水源最低水位至管網最不利點的管路沿程水頭損失（m）；

h3——水源最低水位至管網最不利點的管路局部水頭損失（m）；

h4——最不利點用水設備的流出水頭（m）；

經計算，氣壓罐最低工作壓力為0.18 MPa，最高工作壓力0.27MPa。

設計選用KLD系列補氣式氣壓罐供水裝置，型號為KLD1400-4型立式氣壓罐，直徑1.4m，容積V=3 m3，工作壓力4kg/cm2，水泵每小時最大啟動次數n=8次/小時。依據計算結果，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。

工程設計供水量64.1m3/d，氣壓罐有效容積2.75m3，最高日水泵啟動次數為23次/d；若時變系數取2.5，管網平均日平均時供水量2.05m3/d，則水泵每次開啟9min即可注滿氣壓罐。

4.6 水泵及電氣設備

水源井井深170m，動水位80m，涌水量20m3/d以上，水泵出水管選擇DN65，深井泵安裝深度100m，經計算出水管水頭損失為14.98m，氣壓罐最高工作壓力為0.27MPa，則水泵設計揚程H=100+14.98+27=141.98m，查水泵選型手冊確定水泵型號為200QJ20-148額定流量20m3/h，揚程148m，電機功率13kW，所選水泵流量和揚程可滿足氣壓罐供水運行要求。

5 在供水工程中的運營優勢

棗林鎮崔牌村供水工程自建成投入運行以來，氣壓罐設備運行狀態良好與傳統的水塔式供水模式對比，優勢明顯其主要表現在：①可取代水塔、高位水箱，結構上有利于抗震減災和建筑美觀；②占地面積小，安裝使用方便，便于工程擴建；③一次性投資低，運行成本低；④壓力罐是密閉器，直接與水泵連接，水與外界不接觸，保證了水質不受污染；⑤操作簡單、維修方便，實現了自動控制和集中管理。

6 氣壓罐供水系統設計改進

在崔牌村供水工程多年來的實際運行中，發現隨著工程運行年份的增加，管網滴水損失現象的不斷加大，原工程設計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次數來保證管網壓力，原設計啟動次數為6次/h～8次/h，現在啟動次數變為了10次/h～12次/h。深井潛水泵作為高揚程的抽水設備，適合在連續運轉且啟停次數少的狀態下運行，而與氣壓罐聯合供水，就造成了潛水泵頻繁多次啟停，使深井泵不能在高效區運行，平均效率低，能耗大，而且運行時間短，增大了水泵機組機械沖擊和多次切換時的震蕩現象，降低水泵使用壽命，增大了維修成本。為了延長電機和泵體的使用壽命，提出在原運行系統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→戶用水栓，用管道泵代替深井潛水泵向氣壓罐內注水增壓，管道泵具有效率，安裝維修方便，更重要的是電機功率小，可以直接啟動，對電網壓降影響小，管道泵流量和揚程可根據供水量和氣壓罐的最高工作壓力來確定。供水設計方案的改進真正起到了“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而造成損壞的大修成本，增加了工程運行效益。

實踐證明，氣壓罐供水設備具有加壓能力強、操作簡單、投資少、無污染、使用方便等特點，是取代水塔、高位水箱的理想設備，具有很好的推廣價值。陜西水利