管網準用“無負壓給水設備”技術條件的研究

2015-12-08 來源:北京精銘泰工程技術開發有限公司總工程師:馬戍環

       無負壓(管網疊壓)給水設備是指管網直接串聯水泵增壓供水的供水方式所采用之設備。在城鎮公用管網上直接裝泵抽水一直是供水系統的禁區。其理由:首先是在管網供應能力不足時,個體的超量取水會使管網節點或管段壓力下降而影響其它用戶的用水安定性。另外,允許用戶自由地裝泵“入網”有可能帶來管網運行安全和水質安全的隱患。 
       無負壓給水設備正式投向市場已有七、八年的時間。由于管網直接增壓方式具有節能、節水、省地、省材的優點,特別是因其減少或根除水體二次污染,保障水質衛生安全的特點,而深受業界﹑用戶的關注和市場的歡迎,進而推動了該項技術的進步和發展。可以認為該項技術已發展到了具有理論上的說服力和實踐證明力的較成熟階段。已經有條件在較大范圍試用和推廣使用。推廣“直供水”技術和應用“無負壓給水設備”的主體應該是管網一方,即城鎮供水系統。因而,管網準用條件是該項技術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.管網供水能力和取水流量的限定 
1.1管網能力的限制條件 
        為了限制無負壓給水設備超過管網能力取水而使管網壓力下降,一些城市在“試用”、“準用”或“技術要求”等文件中,提出了各種限制條件,例如: 
●市政管網管徑為300mm時吸水管管徑不大于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㎡(建筑面積限制)。 
●利用管網壓力不得大于0.12MPa(取水管路壓降限制)。 
●水泵吸入口壓力低于0.2MPa時自動停泵(水泵吸水口壓力限制)。 
●管網壓力應大于或等于0.22MPa(管網壓力限制)。 
●使用該設備對自來水管網串接處產生的壓降應小于0.01~0.02 MPa(管網壓降限制)。 
●市政供水管網口徑應大于或等于DN300,樓前供水干管管徑應大于DN150(管網管徑限制)。 
諸多的限制條件體現了管網方面對直接供水技術應用的謹慎態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,會使設計者無法下手設計;設備投入使用前用戶無法明確得知該設備是否會被違規禁用;或本有條件使用者無法實施,顯然不利于該項技術的推廣應用。 
1.2管網能力的分析 
       宏觀上看,管網供水能力取決于凈水廠制水能力、送水泵站送水能力、管網配水能力與送水量是否配套,以及管網運行調度的動態供水能力是否可滿足用戶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剩的局面。表現為水廠送水壓力過高;管網服務壓力升高;末端壓力合格率上升;管段實際流速低于管網設計之最大流速和經濟流速等具象上。管網能力的提高是推廣“直接供水”方式的物質基礎和前提條件。 
具體地談管網能力問題實際上是個體用戶的需求、管網能否滿足的問題。例如:某用戶申請供水,其居住小區有普通Ⅱ類住宅500戶,依建筑給水設計規范設計之秒流量(最大短時流量)為13L/S(47m³/h),根據地理位置應在某管段上(例如DN300管)開口接出取水管。而該管段是否有能力滿足需要?實際上這是一個管網水力計算的問題。管網的拓樸結構有環狀和枝狀類別之分,水力計算方法毋需贅述。管網水力計算題目對于管網經常性管理工作較差的供水系統,可能會因基礎數據和運行數據不足,解題時有些困難。這可以通過測壓、測流、試驗等工作來獲取數據,并逐步使管網管理工作科學、正規地完善起來。 
當水力計算結果認為該管段取水能夠滿足用戶需求時,則可批準該用戶之取水流量,并依照國家標準如《室外給水設計規范》等設計出經濟合理的居住小區的進水管路圖。 示例如圖1

 

圖1  小區進水管路計算示例

水力計算公式:

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

            式中:H:管網接口點水壓

                  L:出水管長度

                  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)可以算出該小區進水管路的自由出水流量,即管路向開口容器(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,只要可控制水泵的出水流量小于限制流量Q,則不會出現負壓吸水現象。應該指出,水泵直接管網增壓時所增補揚程的高、低對管網的壓力降無任何影響,唯有取水流量是影響管網壓力的因素。例如:500戶低層住宅用水量和經過水泵加壓后送至數十米高層住宅500戶時的用水量是相同的,水泵增壓而不增流量,自然不會因為增壓而影響管網壓力安定。所以,只要可以控制住水泵在任何工況下都不會超過限量抽水,即:只需要將“水泵應在管網限定流量下運轉不得超量取水”列為管網直接加壓供水設備的準用條件就可無能力不足之慮了。 
1.3無負壓給水設備   實現“不超量取水”的原理和方法。 
       負壓給水設備按工作原理分類可分為兩類。負壓消除型和無負壓生成型。 
1.3.1負壓消除型 

 

圖2  無負壓給水設備示意圖
       進水管從水罐上部注水入罐。罐頂裝有一個注排氣閥,它具有在滿水時關閉,在罐內產生負壓或水位下降時打開閥門補入大氣的作用,所以也被稱為“真空消除器”“真空補償器”等。該類裝置有浮子、浮球等機械式、有靠電接點真空表或水罐水位接點控制電磁閥啟閉的電動式等方式各異,名稱標新的很多品類。在水罐注滿水時此閥閉緊,此時水罐為承壓的密閉容器,可視為管路上增加了一個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(水泵停轉時) 
Q1 = Q2 = 0 
P1 = P0 = P2                           (3) 
式中 Q1 — 進水管流量 
         Q2 — 出水管流量 
P1 — 自來水管網壓力 
P0 — 進水口壓力(P0≈水罐內壓力) 
P2 — 出水管壓力 
(2)管流為連續流狀態(水罐滿水時) 
Q1 = Q2 = 用戶使用流量 
P0 = P1 - SQ1²                          (4) 
P2 = P0 + △H 
式中   S — 進水管路阻力特性系數 
       △H — 水泵作功揚程 
       此時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,自動改變揚程P2和流量Q2滿足用水需求。進水管流符合不可壓縮流體穩定流動的連續性方程式特征,故Q1 = Q2;進水口壓力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,更不是管網上的壓力P1。在疊壓節能計算和設計選泵時應考慮此數學關系。 
(3) 管流分離狀態(水罐接通大氣時) 
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,破壞了連續性流態而產生負壓。若罐頂上的注氣閥在負壓生成后可及時打開補入大氣,則使水罐變為了開口容器。這時的進水流量Q1為管網壓力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。水泵此時工況為雖無吸程也無疊壓的水池取水方式,出水則是以設定的恒壓控制線控制水泵轉數的傳統變頻供水方式。形成了出水管流與進水管流不相關的連續性流態,向用戶正常供水。 
       從上述分析中可以看出:由于設備在負壓生成后可以消除,所以從管網取水流量不會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準用的最大流量,則設備并未超此限量。 
然而令管網方有所顧慮的是,進氣閥可靠性難以把握,一旦進氣閥不能打開,而水泵出水又出現大流量的工況時豈不是負壓下超量取水嗎?因此,還需要要求進水口有停泵壓力的控制。 
   1.3.2無負壓生成型 
       以智能控制的手段使水泵在限定流量下運轉,使水泵出水量不會大于自由流出流量則根本不會產生負壓,而不是產生后再去消除。該類設備工作原理可用圖3說明。


       以圖1示例管路及數據繪制出曲線,可見到當滿足用戶所需最大流量13m/S時,進水口之壓力P0為0.17MPa。將此點作為水泵調速的流量控制點,控制水泵在運轉或事故等任何時候均不會超過控制流量出水,則根本不會產生負壓,而使管路水流保持連續流態。 
還可以看到,水泵在控制流量下從管網中的最大取水量為43m³/h,而管路自由流入水池時的流量可達到114 m³/h。顯然,前者對管網壓力的影響會更少。 
    2、不可忽視“瞬變流”對管網的沖擊 
       對“無負壓給水”這一約定俗成的稱謂尚無規范和準確的定義。如果以“無負壓”即“無吸程”來解釋,是指水泵或設備不會在負壓下抽水,即該套設備不會比管網取水管向水池放水的流量大。因此,管網有能力向小區供水時就無理由準用“水池”而禁用“無負壓設備”。孰不知,承擔著向社會提供生活必需的公共產品的責任人——管網一方,最為擔心的是五花八門的設備與管網直接連接后會對管網安全產生不良影響。例如“瞬變流”對管網的沖擊。 
       在密閉的壓力輸配液體的長距離管路中,瞬間產生負壓的現象是常見或不可避免的。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型連接時水射器原理,文丘里管效應,虹吸或高差跌落,管網流速圖上流束尖峰等環境下都會有“負壓”生成,其中因瞬變流產生的拉斷——彌合水錘是危害管網安全的大敵。“水錘”可產生的超常壓力,以及由于負壓、氣囊、氣阻、振蕩、沖刷管壁等現象不僅會影響管網安全運行,而且會產生影響水質的“赤水”“混水”出現。所以對于管齡長、無內防腐襯里的陳舊管路,還是應慎用直接抽水的設備。對于無負壓類設備,應該要求它具有抑制和消除瞬變流態的對策。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服力,對于忽視“瞬變流”存在的“無負壓給水設備”,有理由持保留態度。 
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品安全衛生的有關規定。對于“無負壓給水設備”還應包括,防止倒流污染和防止水泵停機時間過長而產生“死水”污染等要求。關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確定。對于全密閉無蓄水容積的直供水方式,當然可以不必考慮。 
●結語 
       直接供水系統是指從水廠→管網→增壓→用戶的連續流程,構建這個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,目前一些城市已經開始了對這些課題的研究并取得了成果和經驗。

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