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廣西無負壓給水設(shè)備管網(wǎng)技術(shù)

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廣西無負壓（管網(wǎng)疊壓）給水設(shè)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(shè)備。在城鎮(zhèn)公用管網(wǎng)上直接裝泵抽水一直是供水系統(tǒng)的禁區(qū)。其理由：首先是在管網(wǎng)供應(yīng)能力不足時，個體的超量取水會使管網(wǎng)節(jié)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(wǎng)”有可能帶來管網(wǎng)運行安全和水質(zhì)安全的隱患。
廣西無負壓給水設(shè)備正式投向市場已有七、八年的時間。由于管網(wǎng)直接增壓方式具有節(jié)能、節(jié)水、省地、省材的優(yōu)點，特別是因其減少或根除水體二次污染，保障水質(zhì)衛(wèi)生安全的特點，而深受業(yè)界﹑用戶的關(guān)注和市場的歡迎，進而推動了該項技術(shù)的進步和發(fā)展。可以認為該項技術(shù)已發(fā)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(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(yīng)用“廣西無負壓給水設(shè)備”的主體應(yīng)該是管網(wǎng)一方，即城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)。因而，管網(wǎng)準用條件是該項技術(shù)成果推廣應(yīng)用廣度和深度的決定性因素。而如何結(jié)合自己城市和供水系統(tǒng)的具體情況，制定出合理、規(guī)范、便于操作的“準用條件”是應(yīng)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
為了限制廣西無負壓供水設(shè)備超過管網(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時吸水管管徑不大于100mm（管徑限制）。
●直接加壓設(shè)備吸水管流速大于1.5m/S（流速限制）。
●單套設(shè)備的額定供水量不得大于32 m3/d（裝機容量限制）。
●供水小區(qū)總建筑面積不得大于20萬㎡（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時自動停泵（水泵吸水口壓力限制）。
●管網(wǎng)壓力應(yīng)大于或等于0.22MPa（管網(wǎng)壓力限制）。
●使用該設(shè)備對自來水管網(wǎng)串接處產(chǎn)生的壓降應(yīng)小于0.01～0.02 MPa(管網(wǎng)壓降限制)。
●市政供水管網(wǎng)口徑應(yīng)大于或等于DN300，樓前供水干管管徑應(yīng)大于DN150（管網(wǎng)管徑限制）。
諸多的限制條件體現(xiàn)了管網(wǎng)方面對直接供水技術(shù)應(yīng)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(fù)﹑相互矛盾﹑缺乏依據(jù)或難以計算和預(yù)測時，會使設(shè)計者無法下手設(shè)計；設(shè)備投入使用前用戶無法明確得知該設(shè)備是否會被違規(guī)禁用；或本有條件使用者無法實施，顯然不利于該項技術(shù)的推廣應(yīng)用。
1.2管網(wǎng)能力的分析
宏觀上看，管網(wǎng)供水能力取決于凈水廠制水能力、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(diào)度的動態(tài)供水能力是否可滿足用戶最大需求水量的要求。目前，國內(nèi)很多城市出現(xiàn)供水能力充足或過剩的局面。表現(xiàn)為水廠送水壓力過高；管網(wǎng)服務(wù)壓力升高；末端壓力合格率上升；管段實際流速低于管網(wǎng)設(shè)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(chǔ)和前提條件。
具體地談管網(wǎng)能力問題實際上是個體用戶的需求、管網(wǎng)能否滿足的問題。例如：某用戶申請供水，其居住小區(qū)有普通Ⅱ類住宅500戶，依建筑給水設(shè)計規(guī)范設(shè)計之秒流量（最大短時流量）為13L/S（47m3/h），根據(jù)地理位置應(yīng)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(wǎng)水力計算的問題。管網(wǎng)的拓樸結(jié)構(gòu)有環(huán)狀和枝狀類別之分，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(tǒng)，可能會因基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，并逐步使管網(wǎng)管理工作科學(xué)、正規(guī)地完善起來。
當水力計算結(jié)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(shè)計規(guī)范》等設(shè)計出經(jīng)濟合理的居住小區(qū)的進水管路圖。
依計算公式(1)、(2)可以算出該小區(qū)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(yīng)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(xiàn)負壓吸水現(xiàn)象。應(yīng)該指出，水泵直接管網(wǎng)增壓時所增補揚程的高、低對管網(wǎng)的壓力降無任何影響，唯有取水流量是影響管網(wǎng)壓力的因素。例如：500戶低層住宅用水量和經(jīng)過水泵加壓后送至數(shù)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(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超過限量抽水，即：只需要將“水泵應(yīng)在管網(wǎng)限定流量下運轉(zhuǎn)不得超量取水”列為管網(wǎng)直接加壓供水設(shè)備的準用條件就可無能力不足之慮了。
1.3廣西無負壓給水設(shè)備   實現(xiàn)“不超量取水”的原理和方法。
負壓給水設(shè)備按工作原理分類可分為兩類。負壓消除型和廣西無負壓生成型。
1.3.1負壓消除型
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(guān)閉，在罐內(nèi)產(chǎn)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(shè)備運行有如下三種工況：
(1)管流靜止狀態(tài)（水泵停轉(zhuǎn)時）
Q1 = Q2 = 0
P1 = P0 = P2
式中 Q1 — 進水管流量
Q2 — 出水管流量
P1 — 自來水管網(wǎng)壓力
P0 — 進水口壓力（P0≈水罐內(nèi)壓力）
P2 — 出水管壓力
(2)管流為連續(xù)流狀態(tài)（水罐滿水時）
Q1 = Q2 = 用戶使用流量
P0 = P1 - SQ12
P2 = P0 + △H
式中   S — 進水管路阻力特性系數(shù)
△H — 水泵作功揚程
此時管流可視為連續(xù)性非恒定流。水泵依據(jù)用水流量的變化而變速運轉(zhuǎn)，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(wěn)定流動的連續(xù)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(wǎng)上的壓力P1。在疊壓節(jié)能計算和設(shè)計選泵時應(yīng)考慮此數(shù)學(xué)關(guān)系。
(3) 管流分離狀態(tài)（水罐接通大氣時）
Q1 < Q2
P0 ≈ 0
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(nèi)水位下降，導(dǎo)致管流拉斷，破壞了連續(xù)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打開補入大氣，則使水罐變?yōu)榱碎_口容器。這時的進水流量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。水泵此時工況為雖無吸程也無疊壓的水池取水方式，出水則是以設(shè)定的恒壓控制線控制水泵轉(zhuǎn)數(shù)的傳統(tǒng)變頻供水方式。形成了出水管流與進水管流不相關(guān)的連續(xù)性流態(tài)，向用戶正常供水。
從上述分析中可以看出：由于設(shè)備在負壓生成后可以消除，所以從管網(wǎng)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(wǎng)準用的最大流量，則設(shè)備并未超此限量。
然而令管網(wǎng)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(xiàn)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廣西無負壓生成型
以智能控制的手段使水泵在限定流量下運轉(zhuǎn)，使水泵出水量不會大于自由流出流量則根本不會產(chǎn)生負壓，而不是產(chǎn)生后再去消除。該類設(shè)備工作原理可用圖3說明。
以圖1示例管路及數(shù)據(jù)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(diào)速的流量控制點，控制水泵在運轉(zhuǎn)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(chǎn)生負壓，而使管路水流保持連續(xù)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的流量可達到114 m3/h。顯然，前者對管網(wǎng)壓力的影響會更少。
2、不可忽視“瞬變流”對管網(wǎng)的沖擊
對“廣西無負壓供水”這一約定俗成的稱謂尚無規(guī)范和準確的定義。如果以“廣西無負壓”即“無吸程”來解釋，是指水泵或設(shè)備不會在負壓下抽水，即該套設(shè)備不會比管網(wǎng)取水管向水池放水的流量大。因此，管網(wǎng)有能力向小區(qū)供水時就無理由準用“水池”而禁用“廣西無負壓設(shè)備”。孰不知，承擔(dān)著向社會提供生活必需的公共產(chǎn)品的責(zé)任人——管網(wǎng)一方，最為擔(dān)心的是五花八門的設(shè)備與管網(wǎng)直接連接后會對管網(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距離管路中，瞬間產(chǎn)生負壓的現(xiàn)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(yīng)，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(xiàn)象不僅會影響管網(wǎng)安全運行，而且會產(chǎn)生影響水質(zhì)的“赤水”“混水”出現(xiàn)。所以對于管齡長、無內(nèi)防腐襯里的陳舊管路，還是應(yīng)慎用直接抽水的設(shè)備。對于廣西無負壓類設(shè)備，應(yīng)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(jiān)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(shè)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“廣西無負壓供水設(shè)備”，有理由持保留態(tài)度。
3、涉及飲用水衛(wèi)生安全方面的限制條件
準用的廣西無負壓給水供水設(shè)備應(yīng)符合國家和地方生活飲用水衛(wèi)生監(jiān)督管理及涉水產(chǎn)品安全衛(wèi)生的有關(guān)規(guī)定。對于“廣西無負壓供水設(shè)備”還應(yīng)包括，防止倒流污染和防止水泵停機時間過長而產(chǎn)生“死水”污染等要求。關(guān)于是否要求在設(shè)備中增設(shè)消毒設(shè)施或補氯等措施，應(yīng)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(jié)語
直接供水系統(tǒng)是指從水廠→管網(wǎng)→增壓→用戶的連續(xù)流程，構(gòu)建這個系統(tǒng)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。而且直接供水方式是對傳統(tǒng)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)開始了對這些課題的研究并取得了成果和經(jīng)驗。
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