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叠压供水技术在二次供水领域的应用探讨

2014/6/8 10:37:34

2008年01月06日      来源:中国水协设备网     

烟台市自来水公司  邢波涛   曲书增  马义波

 

 

 

本文介绍了叠压给水设备的构造原理、优特点和选型计算方法;并对其接入条件提出了自己的见解;对其应用前景进行了展望和建议。

关键词:二次供水 叠压供水技术 选型 应用。

 

城市二次供水指单位或个人将城市公共供水或者自建设施供水储存、加压后再供用户的形式。城市供水系统面临的情况是复杂的,地势的高低不同,高层建筑的层出不穷,决定了二次供水系统的存在是一种必然。

一、传统二次供水方式的主要形式及存在的问题

传统的二次供水形式主要有以下几种:①水泵与水池(箱)联合供水形式:设高位水池(箱)和设低位水池(箱)利用液位控制的供水形式。②变频调速供水形式:只设低位水池(箱),采用变频调速设备的供水形式。③压力罐供水形式:只设低位水池(箱),采用压力罐或加变频调速设备的供水形式。

常规的二次供水方式在市政供水管网水压不足需要增压时,首先将市政管网供水流入水池,再进行二次加压,这种二次供水方式存在以下几个问题:一是无法充分利用市政供水管网原有的压力,二是存在着水质二次污染的严重问题,三是水池/箱需要定期清洗维护,增加了二次供水管理难度。四是水池不仅占地面积较大又增加了设施的总投资等等。

由于常规的二次供水方式存在以上诸多问题,到90年代末期,叠压供水技术在日本、美国、西欧等发达国家已得到普遍使用,并且建立了一整套完善的产品标准体系。

二、叠压给水设备的结构配置及工作原理

设备配置及运行原理:

1、设备配置:(以罐式两台泵为例)设备进口处设置倒流防止器、过滤器和一个稳流调节器。稳流调节器顶部设一个真空抑制器或负压消除器,罐内设液位检测传感装置。两台水泵并联,并设有旁通管。

2、运行原理:当管网进水量大于设备出水量时,缓冲水罐满水,水泵通过缓冲水罐从管网里吸水。当管网进水量小于设备出水量时,缓冲水罐内的压力和液位开始下降。当罐内压力低于大气压时,进/排气阀打开进气,防止罐内产生负压。当缓冲水罐水位继续下降到设定的低液位时,水泵停止运行。

3、负压消除装置(真空抑制器)的几种形式:经过多年持续不断的改进,真空抑制器有以下几种形式:①在进/排气阀上加设过滤膜装置,对进入稳流调节器的空气进行过滤,以保证水质清洁;②用带气囊的隔膜气压罐代替无气囊的缓冲水罐,保证空气与水的隔离。③自平衡式;④预压式等多种负压抑制方式,保证了设备不产生负压和不被空气污染。无论哪一种都应当在稳流调节器上装设压力传感装置和液位控制装置,当罐内压力低于设定值或罐内液位低于设定值时,强制水泵停止运行等等。应当说目前国内大多数叠压供水设备利用水力、机械或电气控制等措施,可以有效地防止水泵吸水时在管网中产生负压。

叠压供水设备运行基本工况如下表:

工况

叠压供水设备运行状态

P0 P2

水泵停止工作,由旁通管直接利用市政供水管网水压向全部用户供水。当进水侧水压变小时,水泵投入正常运行。

P0P1

系统自动发出报警信号,水泵停止工作,由旁通管直接利用市政管网水压向部分用户供水。当报警信号解除后,水泵自动恢复正常运行。

P102

少量用水时:水泵不启动,靠囊式压力罐稳压供水。

用水量增大时:根据进出水压差,水泵变频运行以补充水压,保证出水侧供水水压的稳定。

注:P0—叠压供水设备进水侧(接市政供水管网侧)水压;P1—叠压供水设备强制停泵时,进水侧设定的最低水压(保证市政供水管网不出现负压所设定的进水侧最小控制水压值)。P2—叠压供水设备出水侧(接用户供水管网侧)设定的水压(保证用户端用水所需要的最低控制水压值)。

目前,市场上所用的叠压供水设备主要有三种:密封式、稳流罐式、调节水箱式。但细节上也有不同之处:

①密封式:该方式将电机、水泵等设备完全密封于不锈钢容器内,基本杜绝了水质二次污染,占地少,安装灵活,可安装在楼梯间、地下池子等地方,施工周期短,但无储备水量,城市公共供水管网停水时,易出现断水现象。

②流量调节罐式:该方式在水泵前装设可承压的流量调节器,靠其调节作用,可进一步降低对城市公共供水管网的影响。

③调节水箱式:该方式设有不承压的调节水箱,调节水箱与水泵并联,通过电控装置,使调节水箱内的水每天至少循环两次,确保水质不发生变质。当市政管网的水量、水压条件能满足叠压供水方式要求时,直接从市政管网取水;否则,从调节水箱取水。可用于自来水管网供水不稳定的区域。由于存在水箱,仍要按规定进行清洗消毒。

三、叠压给水设备的技术优势及存在的问题

1、与常规供水方式相比较,叠压供水方式具有以下优势:

序号

对比

项目

传统水池给水设备

叠压给水设备

1

给水

方式

   必须建水池或水箱,将市政管网中的自来水放入水池或水箱中,余压泄为零后再进行二次增压。这种浪费绝对是触目惊心的。

   不必建水池或水箱,设备可直接与自来水管道联接,可充分利用自来水原有压力叠压供水。

2

给水

质量

由于水质达标的自来水放入水池中,各种杂物极易进入其中,造成二次污染,危害用户人体健康。

水质达标的自来水经全封闭的设备加压后直接供给用户,没有污染。

3

节水

情况

水池跑、冒、滴、漏、渗比较严重。另外每次清洁、消毒都浪费大量水资源。

封闭结构,杜绝了跑、冒、滴、漏、渗现象。节省每次清洁、消毒浪费的水资源。

4

使原有的管网余压全部变为零,再从零开始重新加压供水,能量白白浪费。一旦停电,住户就停水。

与自来水管道直接串接,可充分利用自来水管道原有的压力。自来水满足要求时,设备就停止工作,节能效果极其显著。并且停电也可恢复自来水的常压供水。

 

5

修水池或设水箱,建泵房,设备占地面积大,工程总投资大。水池或水箱需要定期清洗消毒,增加了日常开支。

因水质污染严重,需要增加水质净化设备,投资增大。

不用修水池或设水箱,工程总投资可大幅度减少,也节省了定期清洗消毒的费用。

使用该设备,水质没有污染,不需要安装消毒设备。

 

6

安装

情况

必须修水池或设水箱,工程量大,施工、安装麻烦、工期长,设备占地面大。

   不用建水池、不用安装水箱。安装简单,施工周期短。设备也可以直接安装在地下泵池中,不占地方。

7

管理

情况

中间环节较多。

管理方便,可实现无人值守。

8

运行

费用

这种供水方式设备选型较大,机组功率较高,耗能多,设备运行费用低相对较高。

这种供水方式设备选型小,机组功率降低,耗能少,设备运行费用低。

2、叠压供水技术存在的几个问题:

叠压供水技术有着其显著的优特点,但同时也应该指出的是:

①上述设备在来水不足时为了实现叠压功能必须以牺牲用户用水,即停止或减少水泵吸水作为代价的。

②上述设备仅仅解决了水泵吸水口处的压力临界于负压时水泵如何停止吸水的问题,但并没有对管网可能产生的影响(如水压波动、水表计量等)作全面的分析和预防。

③叠压供水技术的应用必须以水力学原理为基础,使用叠压供水设备时必须充分考虑当地城市管网系统的水力条件。过分的强调或夸大设备的叠压功能,是不科学的。在外部管网水力条件不匹配的情况下,任何设备都无法实现真正意义上的叠压。

④目前,国内大部分城市没有出台相应的城市二次供水管理办法。叠压技术在二次供水领域的应用基本处于无政府管理状态,为今后二次供水管理及安全优质供水埋下了隐患。为了保证城市二次供水的安全可靠,不断增强依法管理的自觉性,加大对二次供水管理的力度,建立健全配套的管理制度,使二次供水管理工作走上规范化、法制化的轨道,很显然,此问题已经提上了议事日程。

四、叠压给水设备的管网接入条件探讨

我国1994年颁布的《城市供水条例》中规定:禁止在城市管网公共供水管道上直接装泵抽水。这是因为在城市供水条件尚不成熟的情况下,没有控制和保护措施地从管网直接抽水可能会对管网水质、水压产生不良影响,甚至造成管网破坏。随着城市供水条件的完善以及供水技术、自动化控制技术的发展,叠压供水技术在国内推广使用的条件日趋成熟。

我们认为,既然叠压供水技术的应用有着显著的优特点也存在不少的问题,这就要对其接入管网的条件进行约束和规定。

1、应当规定当室外给水管网的水量、水压达到一定要求时,方可选用直接增压二次供水设备。

其中,①水量要求:小区及单体居民楼根据《室外给水设计规范》规定的时变化系数(根据用水设施条件确定)核算周边用户需水量。当周边用户需水量低于管道供水量时(供水量可按经济流速计算),即可满足水量要求;当周边用户需水量高于管道供水量时,可以采取加大配水管管径或适当增加稳流调节器容积的方式满足用水需要。否则,不得选用直接增压方式。②水压要求:室外给水管网的压力任何时候都不得低于0.11Mpa(参考值)。这些数据的获得必须咨询用户所在地的自来水公司。换句话说,从技术角度讲,要想接入叠压供水设备理应到自来水公司技术部门进行备案审批。

2、叠压供水设备必须有多重的、可靠的防负压、防倒流、防水表计量冲击等措施,以免对周围用户用水产生影响。

3、为了避免对城市公共供水管网的水质造成污染,这就需要有质量技术监督部门的鉴定证书,证书中应特别注明防负压、防倒流方面的鉴定结论,以确定能否具备直接接入管网的条件。

4、为防止设备本体对水质造成污染,叠压供水设备还必须具有市级卫生监督部门的卫生许可证。

五、关于叠压给水技术推广应用的几点建议

1、加强叠压供水技术的推广应用宣传工作。通过新闻媒体等形式广泛进行宣传,使全社会认识到这种供水方式的优点,进一步扩大其应用范围。对新建、改建、扩建的二次供水设施,在符合条件的区域,建议采用叠压供水方式。

2、叠压供水技术作为常规二次供水技术的一种革新与尝试,已得到业内人士和供水企业的普遍关注。但应该指出的是,叠压供水技术在国内还属于一种新型的供水技术,目前尚没有任何关于叠压供水技术的国家标准和行业标准。由于叠压供水设备直接从市政供水管网取水增压,若系统设计不当或设备使用不当,就有可能对城市供水管网的水质、水压产生影响,进而影响整个供水系统的安全。为使叠压供水的工程设计、施工、验收能够做到技术先进、经济合理、安全适用、运行可靠,业内专家强烈呼吁现阶段应尽快建立叠压供水方式的应用法规、技术规程等。

3、明确采用叠压供水方式的区域应满足的供水条件。政府或二次供水的管理部门应组织专业技术人员进行论证,对叠压供水设备所应具备的技术条件及采用叠压供水方式的区域应满足的供水条件做出明确规定。我们认为:防负压方面,至少应设电控装置和机械装置;防倒流方面,应尽可能设多层防护措施,确保对城市公共供水管网水质不产生任何影响;节能方面,应考虑夜间用水量很小情况下的能耗问题。实施此类供水方式时,应该从供水设计开始,考虑增加相应的设施,例如采用加设孔板、加设流量调节阀、加设定时启闭阀等手段,严格控制进水管的最大瞬时流量在水表额定流量范围内,对水表规格的选择要合理,以避免对管网压力和计量水表造成冲击,尽量减少叠压供水设备的负面效应。

4、加强叠压供水新技术的研发工作。鼓励引导设备生产厂家在防负压、防倒流、节能等方面进一步攻关。

5、严把叠压供水设备的质量关。技术监督部门应严格按照企业标准对叠压供水设备进行技术鉴定,鉴定合格的,颁发有关证件。且每年可对鉴定合格厂家的设备进行抽检,确保设备质量过关。对性能先进的设备可进行公示或下发文件推广应用。

6、积极创造条件,尽可能满足叠压供水方式用水需求。今后新敷设和更换自来水管道时,用户应具有超前意识,尽量加粗管径,以满足接入叠压供水方式和周围用户对水量的需求。

7、供水企业有义务为用户提供良好服务,对二次供水系统的规范管理提供支持。而不是放任不管或管得过死。

六、满足采用叠压供水设备的自来水管径、进水能力、稳流调节器容积计算方法

叠压供水设备优点显著,然而要想发挥其应有的作用,保证其正常工作,必须对自来水管的进水能力和稳流调节器的容积进行正确的计算和选择,下面介绍了采用叠压供水设备的自来水管的进水能力和稳流调节器的容积的计算方法,以期能指导叠压供水设备的正确选用和可靠运行。

1、自来水管径的计算

叠压供水设备能否正常工作,与自来水管网的条件和稳流调节器的容积有着密切的关系。自来水管的进水能力与自来水管的管径、长度、材质及自来水管与市政管网对接处的自来水压力有关,对于新建工程,一开始就应保证自来水流量满足用户用水量要求,下面就自来水流量、自来水压力、自来水管长度、材质确定的情况下,自来水管径的计算方法介绍如下:

设计用水量为Q,自来水管为镀锌钢管,自来水水管长度为L,与自来水管网对接处用水高峰期自来水压力为P,则

①水流速度:V4Q/πd2×3600

V自来水流速,m/sd自来水管直径,m; Q流量,m3/h 

②雷诺数:ReVd/ν

Re雷诺数;ν水的粘度,㎡/sVd意义同上;

③由柯列勃洛克公式:

1/λ0..5=-2Lg/3.7d+2.51/Reλ0.5))

计算出沿程阻力系数λ

λ沿程阻力系数;工业管道的当量糙粒高度,mmRed意义同上,d单位为mm

④沿程水头损失:hf=λLV2/2dg

hf 沿程水头损失,mL管道长度,mg重力加速度,m/s2Vλd意义同上,d单位为m

⑤旋翼式水表特性系数:Kb=qt2/10

Kb 水表特性系数,m6/h2qt旋翼式水表特性流量,m3/h

⑥水表产生的水头损失:hb =q2/Kb

hb 水表产生的水头损失,mQ通过水表的流量,m3/hKb水表特性系数,m6/h2

⑦水头总损失:h=1.2hf+hb

h 水头总损失,mhfhb意义同上;

上述公式中,柯列勃洛克方程是无法手解的,我们可以编制特定的程序来求得合适的d值。

多次试输入d值,使水头总损失h尽可能的接近市政管网对接处自来水压力P(这里假设对接处压力保持恒定,若对接后压力出现下降,则应以下降后的压力为准),此时的管径d就是所求的自来水管的最小直径。为了保证在较长时间内自来水管的进水能力能够满足叠压供水设备正常工作的要求,实际选择自来水进水管道时,其直径应在计算值的基础上进行适当的放大。

2、稳流调节器容积的计算

从住宅、办公楼等许多不同用途建筑的用水规律来看,其绝大部分时间用水流量小于用水秒流量但不小于平均时流量时,在自来水进水管无法扩大的情况下,可用流量调节器进行补偿,在这种情况下使用叠压设备仍有非常可观的节能效果。

现将自来水进水量小于用水秒流量时各种流量、流量调节器容积等的计算方法举例介绍如下:

假设有一住宅小区,有200家住户,每户人数为3,每户有一淋浴器,一个浴缸,一个坐便器,一个洗手盆,一个厨房水龙头,每人用水定额为160L/(人.d),时变化系数为2,每日使用时间为24h,从市政管网至泵房的距离为100米,管道直径为DN50,市政管网开口处用水高峰期自来水压力为0.1MPa,材质为镀锌钢管,水表为旋翼式,直径为DN40,计算自来水进水量、流量调节器容积。

计算过程如下:

1)用水秒流量计算

1)每户当量(浴缸淋浴器当量为1.5,坐便器当量为0.5,洗手盆当量为1,厨房水龙头当量为1)为:1.50.5114

2)总当量为:Ng200×3600

3)秒流量为:Ng0.2aNg0.5+kNg=0.2×1.02×6000.5+0.0045×600

=7.7L/s=27.7m3/h)按普通住宅,a1.02K0.0045

2)平均时流量计算:Qh=200×3×160/1000×24=4m3/h

3)自来水进水量计算:

利用特定编制的计算程序,试输入多个进水量Q值,使水头总损失h尽可能的接近市政管网开口处自来水压力P,这时的Q值就是自来水管的进水量,经计算,本例自来水进水量为10 m3/h

由此可以看出,自来水进水量小于所需秒流量,不能满足高峰期用水要求,需要选择合适大小的稳流调节器。

4)最大时流量计算:

Qh200×3×160×2/1000×24)=8m3/h

一般来说,只要保证了用户最大时1小时用水量,即能保证用户的正常用水。为了确保用户用水,假设8m3水全部以秒流量的流速用出(以此确定流量调节器容积偏大,但考虑到自来水压力有可能降低,时间久了管道锈蚀及结垢,影响过水能力及保持一定的安全系数,这种方法应该是可行的)。

则所持续的时间为:8÷27.70.29(小时)=17.3(分钟)

0.29小时内自来水进水量为:0.29×102.9 m3)需补充的水量为:82.95.1m3)即流量调节器的容积应为5.1 m3

以上只是满足采用叠压供水设备的自来水管径、进水能力、稳流调节器容积计算方法的一种。仅供参考。

 

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