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    管網(wǎng)準用“無(wú)負壓給水設備”技術(shù)條件的研究

    2023-10-20 點(diǎn)擊:573次

    管網(wǎng)準用“無(wú)負壓給水設備”技術(shù)條件的研究

       無(wú)負壓(管網(wǎng)疊壓)給水設備是指管網(wǎng)直接串聯(lián)水泵增壓供水的供水方式所采用之設備。在城鎮公用管網(wǎng)上直接裝泵抽水一直是供水系統的禁區。其理由:首先是在管網(wǎng)供應能力不足時(shí),個(gè)體的超量取水會(huì )使管網(wǎng)節點(diǎn)或管段壓力下降而影響其它用戶(hù)的用水安定性。另外,允許用戶(hù)自由地裝泵“入網(wǎng)”有可能帶來(lái)管網(wǎng)運行安全和水質(zhì)安全的隱患。 

           無(wú)負壓給水設備正式投向市場(chǎng)已有七、八年的時(shí)間。由于管網(wǎng)直接增壓方式具有節能、節水、省地、省材的優(yōu)點(diǎn),特別是因其減少或根除水體二次污染,保障水質(zhì)衛生安全的特點(diǎn),而深受業(yè)界﹑用戶(hù)的關(guān)注和市場(chǎng)的歡迎,進(jìn)而推動(dòng)了該項技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展??梢哉J為該項技術(shù)已發(fā)展到了具有理論上的說(shuō)服力和實(shí)踐證明力的較成熟階段。已經(jīng)有條件在較大范圍試用和推廣使用。推廣“直供水”技術(shù)和應用“無(wú)負壓給水設備”的主體應該是管網(wǎng)一方,即城鎮供水系統。因而,管網(wǎng)準用條件是該項技術(shù)成果推廣應用廣度和深度的決定性因素。而如何結合自己城市和供水系統的具體情況,制定出合理、規范、便于操作的“準用條件”是應該深入研究的課題。 
    1.管網(wǎng)供水能力和取水流量的限定 
    1.1管網(wǎng)能力的限制條件 
            為了限制無(wú)負壓給水設備超過(guò)管網(wǎng)能力取水而使管網(wǎng)壓力下降,一些城市在“試用”、“準用”或“技術(shù)要求”等文件中,提出了各種限制條件,例如: 
    ●市政管網(wǎng)管徑為300mm時(shí)吸水管管徑不大于100mm(管徑限制)。 
    ●直接加壓設備吸水管流速大于1.5m/S(流速限制)。 
    ●單套設備的額定供水量不得大于32 m3/d(裝機容量限制)。 
    ●供水小區總建筑面積不得大于20萬(wàn)㎡(建筑面積限制)。 
    ●利用管網(wǎng)壓力不得大于0.12MPa(取水管路壓降限制)。 
    ●水泵吸入口壓力低于0.2MPa時(shí)自動(dòng)停泵(水泵吸水口壓力限制)。 
    ●管網(wǎng)壓力應大于或等于0.22MPa(管網(wǎng)壓力限制)。 
    ●使用該設備對自來(lái)水管網(wǎng)串接處產(chǎn)生的壓降應小于0.01~0.02 MPa(管網(wǎng)壓降限制)。 
    ●市政供水管網(wǎng)口徑應大于或等于DN300,樓前供水干管管徑應大于DN150(管網(wǎng)管徑限制)。 
    諸多的限制條件體現了管網(wǎng)方面對直接供水技術(shù)應用的謹慎態(tài)度和對直接裝泵抽水的重重顧慮,這是可以理解的。但限制條件的保守、繁復﹑相互矛盾﹑缺乏依據或難以計算和預測時(shí),會(huì )使設計者無(wú)法下手設計;設備投入使用前用戶(hù)無(wú)法明確得知該設備是否會(huì )被違規禁用;或本有條件使用者無(wú)法實(shí)施,顯然不利于該項技術(shù)的推廣應用。 
    1.2管網(wǎng)能力的分析 
           宏觀(guān)上看,管網(wǎng)供水能力取決于凈水廠(chǎng)制水能力、送水泵站送水能力、管網(wǎng)配水能力與送水量是否配套,以及管網(wǎng)運行調度的動(dòng)態(tài)供水能力是否可滿(mǎn)足用戶(hù)最大需求水量的要求。目前,國內很多城市出現供水能力充足或過(guò)剩的局面。表現為水廠(chǎng)送水壓力過(guò)高;管網(wǎng)服務(wù)壓力升高;末端壓力合格率上升;管段實(shí)際流速低于管網(wǎng)設計之最大流速和經(jīng)濟流速等具象上。管網(wǎng)能力的提高是推廣“直接供水”方式的物質(zhì)基礎和前提條件。 
    具體地談管網(wǎng)能力問(wèn)題實(shí)際上是個(gè)體用戶(hù)的需求、管網(wǎng)能否滿(mǎn)足的問(wèn)題。例如:某用戶(hù)申請供水,其居住小區有普通Ⅱ類(lèi)住宅500戶(hù),依建筑給水設計規范設計之秒流量(最大短時(shí)流量)為13L/S(47m3/h),根據地理位置應在某管段上(例如DN300管)開(kāi)口接出取水管。而該管段是否有能力滿(mǎn)足需要?實(shí)際上這是一個(gè)管網(wǎng)水力計算的問(wèn)題。管網(wǎng)的拓樸結構有環(huán)狀和枝狀類(lèi)別之分,水力計算方法毋需贅述。管網(wǎng)水力計算題目對于管網(wǎng)經(jīng)常性管理工作較差的供水系統,可能會(huì )因基礎數據和運行數據不足,解題時(shí)有些困難。這可以通過(guò)測壓、測流、試驗等工作來(lái)獲取數據,并逐步使管網(wǎng)管理工作科學(xué)、正規地完善起來(lái)。 
    當水力計算結果認為該管段取水能夠滿(mǎn)足用戶(hù)需求時(shí),則可批準該用戶(hù)之取水流量,并依照國家標準如《室外給水設計規范》等設計出經(jīng)濟合理的居住小區的進(jìn)水管路圖。 示例如圖1

     

    圖1  小區進(jìn)水管路計算示例

    水力計算公式:

                 H=(£a+2£b+£v+λL/d+1)v2/2g  ----(1)

                式中:H:管網(wǎng)接口點(diǎn)水壓

                      L:出水管長(cháng)度

                      d: 出水管徑

                      £a、£b、£v局部損失系數

                      λ:取水管摩擦損失系數

                Q=N/4d2V                       ----(2)

                式中:Q:自由出水流量

                      V:管內流速

           依計算公式(1)、(2)可以算出該小區進(jìn)水管路的自由出水流量,即管路向開(kāi)口容器(水池)送水的流量Q=114m3/h。如果在出水管端連接水泵抽水,此流量Q就是應限制的負壓抽水的臨界點(diǎn),只要可控制水泵的出水流量小于限制流量Q,則不會(huì )出現負壓吸水現象。應該指出,水泵直接管網(wǎng)增壓時(shí)所增補揚程的高、低對管網(wǎng)的壓力降無(wú)任何影響,唯有取水流量是影響管網(wǎng)壓力的因素。例如:500戶(hù)低層住宅用水量和經(jīng)過(guò)水泵加壓后送至數十米高層住宅500戶(hù)時(shí)的用水量是相同的,水泵增壓而不增流量,自然不會(huì )因為增壓而影響管網(wǎng)壓力安定。所以,只要可以控制住水泵在任何工況下都不會(huì )超過(guò)限量抽水,即:只需要將“水泵應在管網(wǎng)限定流量下運轉不得超量取水”列為管網(wǎng)直接加壓供水設備的準用條件就可無(wú)能力不足之慮了。 
    1.3無(wú)負壓給水設備   實(shí)現“不超量取水”的原理和方法。 
           負壓給水設備按工作原理分類(lèi)可分為兩類(lèi)。負壓消除型和無(wú)負壓生成型。 
    1.3.1負壓消除型 

     

    圖2  無(wú)負壓給水設備示意圖
           進(jìn)水管從水罐上部注水入罐。罐頂裝有一個(gè)注排氣閥,它具有在滿(mǎn)水時(shí)關(guān)閉,在罐內產(chǎn)生負壓或水位下降時(shí)打開(kāi)閥門(mén)補入大氣的作用,所以也被稱(chēng)為“真空消除器”“真空補償器”等。該類(lèi)裝置有浮子、浮球等機械式、有靠電接點(diǎn)真空表或水罐水位接點(diǎn)控制電磁閥啟閉的電動(dòng)式等方式各異,名稱(chēng)標新的很多品類(lèi)。在水罐注滿(mǎn)水時(shí)此閥閉緊,此時(shí)水罐為承壓的密閉容器,可視為管路上增加了一個(gè)有突然放大和突然縮小局部阻力損失的異徑管。罐底連接至水泵進(jìn)水口,并建立了水泵出水口的靜水頭。 
    設備運行有如下三種工況: 
    (1)管流靜止狀態(tài)(水泵停轉時(shí)) 
    Q1 = Q2 = 0 
    P1 = P0 = P2                           (3) 
    式中 Q1 — 進(jìn)水管流量 
             Q2 — 出水管流量 
    P1 — 自來(lái)水管網(wǎng)壓力 
    P0 — 進(jìn)水口壓力(P0≈水罐內壓力) 
    P2 — 出水管壓力 
    (2)管流為連續流狀態(tài)(水罐滿(mǎn)水時(shí)) 
    Q1 = Q2 = 用戶(hù)使用流量 
    P0 = P1 - SQ12                          (4) 
    P2 = P0 + △H 
    式中   S — 進(jìn)水管路阻力特性系數 
           △H — 水泵作功揚程 
           此時(shí)管流可視為連續性非恒定流。水泵依據用水流量的變化而變速運轉,自動(dòng)改變揚程P2和流量Q2滿(mǎn)足用水需求。進(jìn)水管流符合不可壓縮流體穩定流動(dòng)的連續性方程式特征,故Q1 = Q2;進(jìn)水口壓力P0可疊加到水泵揚程上利用。所疊壓力是隨流量而變的變量而非定量,更不是管網(wǎng)上的壓力P1。在疊壓節能計算和設計選泵時(shí)應考慮此數學(xué)關(guān)系。 
    (3) 管流分離狀態(tài)(水罐接通大氣時(shí)) 
    Q1 < Q2 
    P0 ≈ 0               (5) 
    P2 = △H 
           當用水流量增大,水泵升速追隨,致使Q2 > Q1,此時(shí)由于水罐補水△Q = Q2 - Q1,使罐內水位下降,導致管流拉斷,破壞了連續性流態(tài)而產(chǎn)生負壓。若罐頂上的注氣閥在負壓生成后可及時(shí)打開(kāi)補入大氣,則使水罐變?yōu)榱碎_(kāi)口容器。這時(shí)的進(jìn)水流量Q1為管網(wǎng)壓力P1和管路阻力特性決定的最大能力流量,是負壓吸水的臨界流量。水泵此時(shí)工況為雖無(wú)吸程也無(wú)疊壓的水池取水方式,出水則是以設定的恒壓控制線(xiàn)控制水泵轉數的傳統變頻供水方式。形成了出水管流與進(jìn)水管流不相關(guān)的連續性流態(tài),向用戶(hù)正常供水。 
           從上述分析中可以看出:由于設備在負壓生成后可以消除,所以從管網(wǎng)取水流量不會(huì )大于自由流出流量即負壓吸水之臨界流量。如果認為該流量是管網(wǎng)準用的最大流量,則設備并未超此限量。 
    然而令管網(wǎng)方有所顧慮的是,進(jìn)氣閥可靠性難以把握,一旦進(jìn)氣閥不能打開(kāi),而水泵出水又出現大流量的工況時(shí)豈不是負壓下超量取水嗎?因此,還需要要求進(jìn)水口有停泵壓力的控制。 
       1.3.2無(wú)負壓生成型 
           以智能控制的手段使水泵在限定流量下運轉,使水泵出水量不會(huì )大于自由流出流量則根本不會(huì )產(chǎn)生負壓,而不是產(chǎn)生后再去消除。該類(lèi)設備工作原理可用圖3說(shuō)明。


           以圖1示例管路及數據繪制出曲線(xiàn),可見(jiàn)到當滿(mǎn)足用戶(hù)所需最大流量13m/S時(shí),進(jìn)水口之壓力P0為0.17MPa。將此點(diǎn)作為水泵調速的流量控制點(diǎn),控制水泵在運轉或事故等任何時(shí)候均不會(huì )超過(guò)控制流量出水,則根本不會(huì )產(chǎn)生負壓,而使管路水流保持連續流態(tài)。 
    還可以看到,水泵在控制流量下從管網(wǎng)中的最大取水量為43m3/h,而管路自由流入水池時(shí)的流量可達到114 m3/h。顯然,前者對管網(wǎng)壓力的影響會(huì )更少。 
        2、不可忽視“瞬變流”對管網(wǎng)的沖擊 
           對“無(wú)負壓給水”這一約定俗成的稱(chēng)謂尚無(wú)規范和準確的定義。如果以“無(wú)負壓”即“無(wú)吸程”來(lái)解釋?zhuān)侵杆没蛟O備不會(huì )在負壓下抽水,即該套設備不會(huì )比管網(wǎng)取水管向水池放水的流量大。因此,管網(wǎng)有能力向小區供水時(shí)就無(wú)理由準用“水池”而禁用“無(wú)負壓設備”。孰不知,承擔著(zhù)向社會(huì )提供生活必需的公共產(chǎn)品的責任人——管網(wǎng)一方,最為擔心的是五花八門(mén)的設備與管網(wǎng)直接連接后會(huì )對管網(wǎng)安全產(chǎn)生不良影響。例如“瞬變流”對管網(wǎng)的沖擊。 
           在密閉的壓力輸配液體的長(cháng)距離管路中,瞬間產(chǎn)生負壓的現象是常見(jiàn)或不可避免的。例如:流量(流速)瞬變,旋渦流中心,十字連接管流量分配突變,T型連接時(shí)水射器原理,文丘里管效應,虹吸或高差跌落,管網(wǎng)流速圖上流束尖峰等環(huán)境下都會(huì )有“負壓”生成,其中因瞬變流產(chǎn)生的拉斷——彌合水錘是危害管網(wǎng)安全的大敵?!八N”可產(chǎn)生的超常壓力,以及由于負壓、氣囊、氣阻、振蕩、沖刷管壁等現象不僅會(huì )影響管網(wǎng)安全運行,而且會(huì )產(chǎn)生影響水質(zhì)的“赤水”“混水”出現。所以對于管齡長(cháng)、無(wú)內防腐襯里的陳舊管路,還是應慎用直接抽水的設備。對于無(wú)負壓類(lèi)設備,應該要求它具有抑制和消除瞬變流態(tài)的對策。由于對瞬變流沖擊的監測,試驗和定量分析是很困難的事情,因此要提出合理的具體的技術(shù)指標和檢測方法,還有待深入地研究,但起碼要求準用的設備工作原理清楚并有理論上的說(shuō)服力,對于忽視“瞬變流”存在的“無(wú)負壓給水設備”,有理由持保留態(tài)度。 
    3、涉及飲用水衛生安全方面的限制條件 
           準用的給水設備應符合國家和地方生活飲用水衛生監督管理及涉水產(chǎn)品安全衛生的有關(guān)規定。對于“無(wú)負壓給水設備”還應包括,防止倒流污染和防止水泵停機時(shí)間過(guò)長(cháng)而產(chǎn)生“死水”污染等要求。關(guān)于是否要求在設備中增設消毒設施或補氯等措施,應視是否存在水體貯留來(lái)確定。對于全密閉無(wú)蓄水容積的直供水方式,當然可以不必考慮。 
    ●結語(yǔ) 
           直接供水系統是指從水廠(chǎng)→管網(wǎng)→增壓→用戶(hù)的連續流程,構建這個(gè)系統是一項復雜的系統工程。而且直接供水方式是對傳統供水體系的變革,不僅有大量的技術(shù)課題需要面對,而且還有涉及法律、行政管理和各方面利益等諸多矛盾需要解決,可喜的是,目前一些城市已經(jīng)開(kāi)始了對這些課題的研究并取得了成果和經(jīng)驗。


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