無負壓給水設備及管網(wǎng)準用的技術條件

無負壓給水設備及管網(wǎng)準用的技術條件摘要對無負壓給水設備及接入管網(wǎng)的技術條件作了分析探討。關鍵詞無負壓給水直接供水瞬變流注排氣閥氣囊。“無負壓給水設備”是指：連接到供水管網(wǎng)上的增壓水泵或可稱為管網(wǎng)增壓供水、管網(wǎng)直接加壓供水設備等。它具有兩大優(yōu)點。其一，管網(wǎng)串接水泵增壓供水，將管網(wǎng)中衛(wèi)生合格的生活飲用水在密閉的環(huán)境下直供到戶，減少或根除過去因水體在貯水池中蓄留、暴露、或管理不善而發(fā)生的二次污染，保障了水質衛(wèi)生安全。其二，管網(wǎng)到水泵吸水口尚存的多余水頭，可疊加為揚程利用，所以節(jié)電效果顯著。傳統(tǒng)的城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)可以把水廠送水到用戶水龍頭的全過程分離為一次供水和二次供水兩個相對獨立的系統(tǒng)，而管網(wǎng)直接增壓供水系統(tǒng)是將二者結合成為一個整體的系統(tǒng)，變二次供水為一次直接供水到戶。無負壓給水設備則是該系統(tǒng)可以使用的設備。這種系統(tǒng)在日本被稱為“直結給水系統(tǒng)”。1、日本“直結給水方式擴大化”的概況日本在二十世紀八十年代中期，關于“直結給水方式”必要性和可行性探討和技術研究已經(jīng)開始。不僅在技術層面上，而且在法理和行政管理；市場需求和供水者的義務；城市建筑物中高層化的供水模式等涉及社會系統(tǒng)層面上的討論也在展開。在這樣的背景下，日本厚生省在國家施策方針性文件“面向21世紀的供水系統(tǒng)改造和再構筑的長期目標”中將直結給水系統(tǒng)列入規(guī)劃，并在1990年修訂了給水設計規(guī)范，將管網(wǎng)末端服務壓力由1.5Kg/cm2提高為2.0Kg/cm2；國家提供研究基金在千葉縣建立了有規(guī)模的實驗場；組織了有學者、科研機構、供水企業(yè)事業(yè)及產(chǎn)品制造廠商參加的隊伍；籌措了運作資金，開展“直結給水”的研究，計劃用3年時間作成“推進直結給水系統(tǒng)”的指導原則和方針文件。為此進行了大量的課題研究工作，涉及了規(guī)范、標準、設計、產(chǎn)品等方方面面的技術問題。2、我國直接供水系統(tǒng)的研究和構建20世紀90年代中隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)的建設投入很大，發(fā)展很快，供水能力大幅度提高，甚至在很多城市出現(xiàn)了能力過剩的局面，直接供水擴大化的基礎條件已初步具備。如果繼續(xù)按照傳統(tǒng)的供水模式發(fā)展用戶，管網(wǎng)愈織愈大，供水面積繼續(xù)擴大，二次加壓供水比率不斷提升，將會使二次污染的問題更加突出，將給衛(wèi)生監(jiān)督、污染治理等工作帶來很大的困難。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，構建這個系統(tǒng)是一項復雜的系統(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，這不是短期的、可以一步到位的事情，需要有一個完整的系統(tǒng)框架和發(fā)展規(guī)劃，并制定出短期目標，步步為營地去開展工作。3、亟待制定無負壓供水設備的準用條件和規(guī)定如果默認或無約束條件地允許該類設備接入管網(wǎng)，有可能使管網(wǎng)超過承受能力，也有可能被劣質產(chǎn)品乘隙進入，給用戶用水和管網(wǎng)安全帶來隱患。再者，不制定一個科學、合理的準用條件作為規(guī)則，由供水企業(yè)或個人以試用的名義自己選擇產(chǎn)品和廠商也顯失“公開、公平”的原則。因此，為滿足市場需求，鼓勵新產(chǎn)品新技術、新工藝的研制開發(fā)和推廣應用，有關部門因勢利導地研究和制定出管網(wǎng)準用無負壓設備的具體條件和規(guī)定，創(chuàng)造公平、公正、和諧有序的市場氛圍，這對保障管網(wǎng)安全、維護用戶利益和鼓勵技術進步都是十分需要的。4、無負壓給水設備管網(wǎng)準用的技術條件管網(wǎng)之所以要有限制地準用無負壓設備，是因為該類設備的使用會涉及到管網(wǎng)供應能力、管網(wǎng)運行安全和水質安全等三個方面。所謂準用技術條件，也就是管網(wǎng)對設備接入的技術要求或技術規(guī)范，可列出如下三條。在設備性能和使用環(huán)境可以滿足這三項要求時允許其接入管網(wǎng)使用。一、接入管網(wǎng)的增壓給水設備應在管網(wǎng)限定的流量下運轉，不得超量取水。直接加壓供水，取消了水池、水箱，失去了貯水調峰的中間環(huán)節(jié)，用水高峰流量直接由管網(wǎng)供給，使管網(wǎng)高時流量和時變化系數(shù)增大。勢必要求水廠提高送水壓力以達到管網(wǎng)末端服務壓力。但水廠供水壓力的提高會引起電耗增高、供水成本加大、漏水率上升、管網(wǎng)布局不合理的顯現(xiàn)以及管網(wǎng)運行調度不及時等一系列連鎖反應。在這些懸念性課題尚無定論的時候，只能是在基本上不改變供水現(xiàn)狀和格局的限定條件下擴大直接供水范圍。即：可以先利用當前管網(wǎng)的余裕水頭、冗余的供水能力來擴展直接供水面積，根據(jù)管網(wǎng)能力有選擇、有限制地使用該類設備。以流量為限定條件，用準確的定量界定了供需雙方的權利和義務。當管網(wǎng)壓力低于國家規(guī)定的服務壓力而供水不足時責在供方；而用戶方由于設備選用或使用不當而造成超量取水時應當受限。限定流量的數(shù)據(jù)可以由供水企業(yè)根據(jù)用戶用水申請，通過管網(wǎng)平差計算或憑經(jīng)驗判斷提出。供水驗收時可用簡單的方法和儀器進行檢驗。當然，以管網(wǎng)壓力為限制條件的方法也可限制超量取水，但壓力限制方法的可操作性較差。例如，壓力限制條件規(guī)定為“使用該設備對自來水管網(wǎng)串接處產(chǎn)生的壓降差應小于0.01至0.02MPa”。但用戶在設計選型時很難知道何以能滿足此條件？在用水驗收時，供方（管網(wǎng)方）以何種方法確認是該套設備的運轉使管網(wǎng)壓降超標，而不是管網(wǎng)上其它用戶或管網(wǎng)自身的問題而造成的？壓力限制法可作為管網(wǎng)計算和確認管網(wǎng)能力時的一種方法，在對供水能力宏觀評價或在計算某供水區(qū)域或管段有無條件使用直接抽水設備時是方便的計算方法。但作為對抽水設備的限制條件而提出時，尚需研究其可操性的問題。流量限定條件具有優(yōu)先考慮管網(wǎng)能力和管網(wǎng)安全的價值取向，限制超過管網(wǎng)能力的區(qū)域或管段使用直接抽水設備；維持一部分水池、水箱的二次加壓供水方式；利用其貯水調峰功能來緩解管網(wǎng)承受的壓力；有待直接供水擴大化的規(guī)劃逐步實施時再去滿足該部分用戶的需要。因此不鼓勵為了調峰水量需要而加大進水罐容積，因為當進水流量不足以滿足高峰流量而通過罐內(nèi)蓄水補充時，罐內(nèi)會產(chǎn)生負壓，而消除負壓的技術和水罐容積計算方法在目前都難以說是十分成熟的。當然，某些用戶要求在管網(wǎng)斷水時保有一定儲備水量，進水罐的容積也可以很大，但這是為了斷水時維持一段時間連續(xù)用水，而不是為了在管網(wǎng)正常運行中起到調峰的作用。流量限定方法，將流量指標作為控制抽水設備運行的條件，控制住設備不超量取水，即使是在水泵失控、出水管斷裂等事故狀態(tài)下有進水流量的限制和控制也不可能超量取水。所以可認為該套設備不產(chǎn)生負壓。對于用戶來說，可能會顧慮限量供水會影響壓力、流量而供應不足。但供方（管網(wǎng)方）限定流量之時，就已承諾了可滿足需要的前提，除了管網(wǎng)和設備故障的特殊情況外，正常用水不會受到限制和影響。應該看到，目前很多城市已出現(xiàn)供水產(chǎn)品過剩局面，供水企業(yè)已在提高管網(wǎng)壓力擴展市場。因此，“流量限制”已不是計劃經(jīng)濟時代定量供應的內(nèi)涵。這里的“流量限制”主要是針對抽水設備的限制，防止設備在產(chǎn)生負壓時超過定量取水而影響管網(wǎng)安全和相鄰用戶的用水安定?？尚蜗蟮乇扔鳛榻o設備裝上一條“限流的保險絲”，防止設備運轉不良或發(fā)生故障時殃及管網(wǎng)。當然，經(jīng)常燒斷保險絲的設備是不可能被管網(wǎng)和用戶接受的。二、接入管網(wǎng)的增壓給水設備，應具有防止負壓、壓力振蕩及倒流的有效功能。管道中出現(xiàn)負壓和隨之而來的氣囊、氣阻、壓力振蕩、倒流及水錘等是危及管網(wǎng)安全或產(chǎn)生隱患的重要因素。因此，對直接抽水設備的首要功能要求就是為了保證管網(wǎng)安全而沒有負壓。無負壓功能的實現(xiàn)，可用下圖示例說明：無負壓給水設備示例圖無負壓給水設備示例圖圖中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(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。設備運行有如下三種工況：●管流靜止狀態(tài)（水泵停轉時）Q1=Q2=0P1=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●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-SQ12P2=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，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)能計算和設計選泵時應考慮此數(shù)學關系。●管流分離狀態(tài)（水罐接通大氣時）Q1<Q2P0≈0P2=△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，出水則是以設定的恒壓控制線控制水泵轉數(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的連續(xù)性流態(tài)，向用戶正常供水。然而在挑剔上述分析之不足時，會發(fā)現(xiàn)分析中忽略了重要的兩點：一是忽略了管路中瞬變流動是負壓的重要成因；二是忽略了對負壓生成的瞬間到注氣閥打開的△t時間內(nèi)過渡過程的描述和分析。從前面的分析中可以看出，若有進口流量控制使Q1≮Q2，或當管網(wǎng)壓力很高，進水管阻力很小而水泵額定流量較小時，根本就沒有Q1<Q2的水力條件，既使不加任何控制和防范措施，任由水泵直接抽水也不會產(chǎn)生負壓。但在管內(nèi)壓力突然波動；水泵快速啟動和臺數(shù)切換；水泵振蕩、水泵失控、突然升速；出水管路斷裂等很多情況下都會產(chǎn)生瞬變流態(tài)，使水柱瞬間分離而產(chǎn)生負壓區(qū)。這種現(xiàn)象在流體為紊流、流體的慣性力影響很顯著的管道中常有出現(xiàn)。在管路凸點、匯合點、大阻力系數(shù)管件側及管壁粗糙、閥門半開等處極易發(fā)生，是危害管網(wǎng)安全的大敵。水柱分離到再彌合的過程是復雜的水力過渡過程，是瞬變流理論研究的主要對象。當瞬變流產(chǎn)生了負壓區(qū)，在△t時段初水體中溶解性氣體會以微小氣泡樣式迅速析出。這是因為天然水體中溶解性空氣的含氣率約為2%（即每立方米水中含氣體約為20升），當壓力下降到某一值（可認為是飽和蒸氣壓力值）時氣體必然要釋放。氣泡析出后會聚積為大氣泡而形成氣囊，氣囊兩端形成壓差，在進水流欲彌合此氣穴時壓迫氣囊，由于氣體的可壓縮性,在壓力傳遞過程中，猶如一個彈性器件，在壓縮、反彈的運動中引起管道壓力的振蕩，程度嚴重時可導致管網(wǎng)爆管。同時應該注意的是，在高壓振蕩狀態(tài)下管路注氣、排氣的過程是相當復雜的，注排氣的可靠性也是較難把握的。在沒有深入研究排氣、注氣的機理和準確計算方法時，裝上一個注氣閥就宣稱“無負壓”，顯然不是科學的態(tài)度；對于瞬變流及其過渡過程認識不足，或不能計算出它對管網(wǎng)的沖擊可以有效排除或可忽略不計，就提出一個“無負壓”的結果，也是難以令人信服的。從示例分析中可以看出，瞬變流是負壓生成的主要原因，防止負壓產(chǎn)生和消除負壓的對策應首先從抑制和消除瞬變流入手。例如：可通過智能化控制方法，使設備運行中不產(chǎn)生流量突變，使管流連續(xù)性流態(tài)不被破壞，則根本不會產(chǎn)生負壓。一旦控制系統(tǒng)失靈或響應速度不夠時產(chǎn)生了負壓，可在設備水路中采用消除氣囊的技術作為第二重對策。很多在管網(wǎng)和長距離輸水管道上常用的技術，如：有效排氣；；△t時段初壓力罐補水等方法，都可以用于無負壓給水設備上。目前依照這樣思路設計的產(chǎn)品已在一些城市使用，打出了“根本不產(chǎn)生負壓而不是產(chǎn)生后再去消除”招牌的無負壓給水設備已見上市。另外，也可以在進水罐上繼續(xù)作文章，如在產(chǎn)生負壓時將水泵出口高壓水引回水罐補水保壓（小流量保壓）；或通過出水旁路管回流調節(jié)出水流量Q2等方法，都可以不再依賴注氣閥打開進氣消除負壓，使水罐真正全密閉并保持管流連續(xù)。管網(wǎng)選用的無負壓設備，可以通過對其設計理念、工作原理的分析，通過對外觀、設備構造和所用水泵、管件的品質等項檢查作出初步判斷。但“無負壓功能”的要求作為一項技術條件提出，就應該有具體的技術指標和檢驗方法。否則，設備方提出了“無負壓”的概念或結果，管網(wǎng)方回應以“并未發(fā)現(xiàn)負壓”或“該設備使用后對該地區(qū)用水未產(chǎn)生影響”等概念性的結論，難免會使得準用條件形同虛設，無法操作。為了確保管網(wǎng)水的衛(wèi)生安全，防止倒流污染是必須的要件。倒流的起因有交叉連接、逆壓、倒虹吸等。國外倒流事故防止技術有發(fā)生源防止方法如用戶側的防倒流水拴、防倒流水表等裝置，以及公用管路裝設倒流防止器等。倒流防止器的種類有單式逆止閥、復式逆上閥、氣壓式、液壓式、真空隔斷式等倒流防止閥六七種之多，性能參數(shù)也各有不同。我國倒流防止器問世不久，品種單一，產(chǎn)品應用技術的研究也剛剛開始，如何根據(jù)不同的用水性質，用水環(huán)境和不同等級的污染源來選用產(chǎn)品，如何維護和管理等問題都是有待深入研究的課題。在此之前還是應該持慎重的態(tài)度，禁止醫(yī)院、生物、化學等用水類型的用戶使用無負壓給水設備。另外，倒流防止器水頭損失很大，不僅會加大能耗而且大阻力器件及因此降低管路流量都是負壓生成和管流振蕩的誘因。因此，開發(fā)低損失水頭的防止倒流閥和內(nèi)藏防倒流功能的無負壓給水設備等新產(chǎn)品，是大有文章可作的。三、在管網(wǎng)上使用的無負壓給