真空排污管網(wǎng)水力計算方法及設(shè)計程序

1、第22卷第6期中國給水排水Vol.22No.62006年3月CHINAWATER&WASTEWATERMar.2006真空排污管網(wǎng)水力計算方法及設(shè)計程序段金明,周敬宣,林洪(華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢430074)摘要:真空式排污管網(wǎng)的設(shè)計較復(fù)雜,各條管線的壓力損失、設(shè)計流量及真空度等設(shè)計參數(shù)是不同的,基于其特點提出了真空排污管網(wǎng)水力計算方法,并通過計算程序設(shè)計了某真空排污管網(wǎng)工程。關(guān)鍵詞:真空排污管網(wǎng);壓力損失;節(jié)點真空度;設(shè)計流量中圖分類號:TU992.22文獻標(biāo)識碼:C文章編號:1000-4602(2006)06-0046-04HydraulicCalculationMet

2、hodandDesignProcedureforVacuumSewerageDUANJin2ming,LI(SchoolofEnvironm&ofScienceand430074,China)Abstract:fvacuumseweragenetworkisrelativecomplicated,therearedifferentde2signparametersinallpipeline,suchaspressureloss,designflowrate,andvacuum,etc.Basedonthesefeatures,thehydrauliccalculationmethodforva

3、cuumseweragenetworkwaspresented,andavacuumseweragenetworkprojectwasdesignedbymeansofthecalculationprogram.Keywords:vacuumseweragenetwork;pressureloss;nodevacuum;designflowrate與現(xiàn)行的重力排污系統(tǒng)相比,真空排污系統(tǒng)不但能節(jié)約用水、保護環(huán)境,而且具有管徑相對較小、土方開挖量少、污水易提升、管網(wǎng)安裝方便、經(jīng)濟性能好等優(yōu)點,此系統(tǒng)可用于城鎮(zhèn)居民、生態(tài)旅游區(qū)以13及缺水和修建重力排污系統(tǒng)困難的地區(qū)。1真空排污系統(tǒng)組成及真空管道設(shè)計

4、系統(tǒng)組成真空排污系統(tǒng)以真空吸力同時輸送污物和空氣,由服務(wù)終端、真空閥井、真空管道、中央收集站組成(見圖1)。真空壓力來自中央收集站,并由收集管網(wǎng)傳輸?shù)礁鱾€服務(wù)終端。終端污水經(jīng)重力式排污管道流入真空閥井,當(dāng)閥井內(nèi)收集的污水達到預(yù)定體積(約40L)時,真空界面閥開啟46s后自動關(guān)閉,將污水及一定體積空氣吸入管網(wǎng),輸送到中央收集站。管道設(shè)計排水干管是由許多向下傾斜管段(坡度0.2%)和很短的上升管段所構(gòu)成的齒狀縱斷面結(jié)構(gòu),常用材質(zhì)為PVC管材。一個中央收集站可與幾條真空排水主干管相連(污水干管可分為主干管和干管)。排水干管以樹狀形式鋪開,并依次由管徑為100、160、200、250mm等管道組成,其

5、最大允許污水流量分別為140、400、800、1400L/min。管網(wǎng)的具體鋪設(shè)方法如下:當(dāng)污水沿坡度0.2%的管路向下輸送時,污水本身重力足以克服沿程摩擦阻力,這時管道與地面平行方向鋪設(shè);當(dāng)污水沿水平段(向下坡度100mm的干管提升高度0.46m。若采用多級提升,則干管必須在以大于0.2%坡度鋪設(shè)至46 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第6期段金明,等:真空排污管網(wǎng)水力計算方法及設(shè)計程序第22卷少15m長之后,才開始出現(xiàn)第一級提升段,隨后的每一級提升段之間距離

6、至少為6.1m,而且以此距離連續(xù)提級不能超過5級。干管間隔500m應(yīng)安裝一個截止閥以便于檢修。圖1真空排污系統(tǒng)示意圖Fig.1Schematicdiagramofvacuumseweragesystem水力計算方法及程序2對于復(fù)雜的真空管網(wǎng),若用手工方式計算每根便計算,程見圖2。,可采用編號1。,直至遇到某節(jié)點有其。如果這根管已經(jīng)被編號了則繼續(xù)順流而下;如果沒有則從該支管上游最遠(yuǎn)端的管道開始編號。編號最大的管道是流入中央污水收集罐的干管。將所有流經(jīng)某個節(jié)點的管道數(shù)定義為該節(jié)點的編號。編號最高的節(jié)點就是中央污水收集站。圖3為某小型真空式排污管網(wǎng)中干管的管段及節(jié)點標(biāo)注方法示意圖。圖3管段及節(jié)點標(biāo)注

7、示意圖Fig.3Numberingschemeforpipesandnodes圖2設(shè)計計算流程Fig.2Flowchartofdesigncalculation212輸入?yún)?shù)的確定211計算管線確定準(zhǔn)備真空排污管網(wǎng)的平面圖。一個收集管網(wǎng)常包括幾根主干管線,且每一主干管線以樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)布局,每一根管都有一個上流節(jié)點和下流節(jié)點。輸入?yún)?shù)由主干管線相關(guān)記錄(NP、QPP、PF、HT)及設(shè)計管道的屬性(PN、DN、NPE、D、L、LF、NL、LIFT)兩部分組成。其中,NP為某一條主管線所有管道的總數(shù);QPP為人均污水量;PF為峰值因子(即設(shè)計污水流量與平均污水流量之比);HT為中央污47 1994-

8、2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第6期中國給水排水第22卷水收集罐的最小真空度;PN為管道編號;DN為某管道下游節(jié)點編號;NPE為使用第i根管道的設(shè)計人口數(shù)(不計上游管段匯入部分);D為管道直徑;L為管道幾何長度;LF為管道有效計算長度(用來計算坡度2%時摩擦壓頭損失可以忽略);NL為某管道的提升級數(shù);LIFT為某管道的總提升高度,它是通過累計每級提升管段高度而得到的。確定真空干管管徑D的方法:根據(jù)每一節(jié)干管接入的用戶數(shù),計算該管段實際設(shè)計污水量,再由各種管徑的最大設(shè)計流

9、量來選擇合適的管徑(見表1);也可基于優(yōu)化設(shè)計理論來確定管徑。表1最大設(shè)計污水流量Tab.1Maximundesignsewageflow項目管徑/mm最大設(shè)計流量/(Lmin-1)100140式中l(wèi)(i)第i根設(shè)計管段的有效計算長度,mCHazen-Williams系數(shù),由于真空管道采用PVC管材,所以可取C=150q(i)第i根管段的設(shè)計污水流量,m/s(4)q(i)=qc(i)+qp(i)式中qc(i)從上游管段匯入第i根設(shè)計管段的轉(zhuǎn)輸污水流量,m/sqp(i)從服務(wù)區(qū)直接流入設(shè)計管段的本段污水流量,m/sqp(i)=NiQPPPF10-3246060(5)數(shù)值160200400800式

10、中Ni使用第i根管道的設(shè)計人口數(shù)QPP每人的平均排污量,取200L/(人d)PF峰值因子,推薦值為3.5214計算各節(jié)點真空度左右的壓力才能打開,仍有15kPa左右。真空站提供的吸力需克服污水在管道輸送過程中遇到的阻力,若提供的真空抽吸力不足則將導(dǎo)致污物無法收集到真空站;若提供的真空抽吸力過大則浪費能量。因此,有必要檢驗管網(wǎng)中每個節(jié)點的真空度,當(dāng)系統(tǒng)的真空度不夠時應(yīng)及時開啟真空泵迅速地排出管內(nèi)空氣,以確保系統(tǒng)所需的真空度(當(dāng)然,也可通過優(yōu)化設(shè)計管徑、優(yōu)化鋪設(shè)管道等減少沿程阻力損失的措施來滿足系統(tǒng)真空度的要求)。各節(jié)點真空度計算方法(以圖3為例),假設(shè)各節(jié)點真空度為Hi(i=1,2,10),首先

11、,初步設(shè)計確定中央污水收集罐(節(jié)點10)的最小真空度H10,然后逆流而上,各節(jié)點真空度可按下式計算:(6)Hi=Hj-HL(i)(i=9,8,1)式中Hj節(jié)點j的真空度,j等于編號為i的管道的下游節(jié)點標(biāo)號HL(i)編號為i的管道壓損2501400213計算真空管網(wǎng)壓力損失整個管線總壓頭損失可看成各設(shè)計管段的靜升:HL=hf()(ii=1i=n1)式中HL,mH2O(1mH2O=9.8kPa)lf(i)第i根設(shè)計管段的靜提升損失,mH2Ohf(i)第i根設(shè)計管段的摩擦水頭損失,mH2O(2)lf(i)=lift(i)-nl(i)d(i)式中l(wèi)ift(i)第i根設(shè)計管段的累計總提升高度,md(i)

12、第i根設(shè)計管段的內(nèi)徑,mnl(i)第i根設(shè)計管道中的總提升級數(shù)真空式排污管道系統(tǒng)是按非滿流設(shè)計的,空氣充滿管道大部分容積,氣、液、固三相流體并存?？紤]到糞便在氣流和污水的高速沖擊下被沖碎成較小的顆粒,和污水密度相近,運動形態(tài)及流速也相差不多,因此可把糞便和污水組成的“偽流體”近似看作為一相(液相),將空氣看作另一相(氣相),通過兩相流計算理論及試驗來修正傳統(tǒng)的哈森-威廉斯(Hazen-Williams)水頭損失計算公式,可得出:()1.850.0057l(i)(3)hf(i)4.87d(i)工程算例3圖4為某污水管網(wǎng)系統(tǒng)中干管的平面布置示意圖。該系統(tǒng)有三條主干管線直接與真空站中的真空收集罐相聯(lián)

13、。#以I主干管線為例,按前述設(shè)計程序計算相關(guān)的水力參數(shù),輸入數(shù)據(jù)見表2、3,計算結(jié)果見表4。48 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第6期段金明,等:真空排污管網(wǎng)水力計算方法及設(shè)計程序第22卷可以看出,壓力損失最大的線路為3-4-5-8-9,其壓力損失總值為28.1kPa,又因為真空站最小真空度為55kPa,所以用戶終端的真空壓力可達26.9kPa左右(遠(yuǎn)大于15kPa),完全能滿足系統(tǒng)正常運行對真空度的要求。如不能滿足要求則需調(diào)整相關(guān)參數(shù)(譬如選擇圖4某污水管網(wǎng)

14、系統(tǒng)中干管的平面布置圖Fig.4Basicpipelinelayoutforaseweragenetworksystem挖掘長度不大的上坡段,增加開挖深度來降低在此處的靜壓頭損失)以達到設(shè)計要求。結(jié)語4提出了用于計算真空式排污管網(wǎng)中壓力損失、設(shè)計流量及節(jié)點真空度等參數(shù)的設(shè)計程序,該程序還能檢驗真空是否不足、各管道尺寸是否合適、各管道污水量設(shè)計是否過大等設(shè)計問題,此外,還可用于確定真空收集罐容積、真空儲能罐容積、排污泵排量及真空泵排量等設(shè)計參數(shù)。:H.DefyinggravityJ.1998,68(2):67-69.,葉林,李艷萍.真空下水道系統(tǒng)J.中國給水排水,1998,14(1):61-63

15、.3周敬宣,鄭慧明.真空下水道排污系統(tǒng)的研究J.給水排水,1999,25(11):55-57.表2主干管線的相關(guān)記錄Tab.2Parameterrecordsofamainline管道數(shù)8人均污水量/中央污水收集罐的峰值因子-1-1(L最小真空度/kPa人d)2003.555表3設(shè)計管段的相關(guān)屬性Tab.3Propertiesofdesignedpipes管道下流節(jié)設(shè)計提升管徑管長L編號點編號人數(shù)級數(shù)/mm/m管長/m高度/mPNDNNPENL1234567825458789256420481503270210100120.00.100152.150.00160320.320.00100130

16、.130.00100280.280.00160400.394.0012032070.0.0.680.001.100.760.002.25電話:(027)87792240E-mail:zjxlypyj收稿日期:2005-07-28表4計算結(jié)果(輸出數(shù)據(jù))Tab.4Calculatedresults(Outputdata)設(shè)計流量/(Lmin-1)失/kPa失/kPa1234567825458789#工程信息12.1543.259.7233.05149.2015.5549.57300.830.040.600.030.281.000.061.104.450.003.004.800.006.205.600.0011.300.043.604.830.287.205.661.1015.7526.9432.0531.7732.0539.2538.1539.2555.00遼寧大伙房水庫輸水工程工程內(nèi)容:大伙房水庫輸水工程中的凈、配水廠建設(shè),市街管網(wǎng)敷設(shè)工程;項目單