管网准用“无负压给水设备”技术条件的研究

       无负压（管网叠压）给水设备是指管网直接串联水泵增压供水的供水方式所采用之设备。在城镇公用管网上直接装泵抽水一直是供水系统的禁区。其理由：首先是在管网供应能力不足时，个体的超量取水会使管网节点或管段压力下降而影响其它用户的用水安定性。另外，允许用户自由地装泵“入网”有可能带来管网运行安全和水质安全的隐患。 
       无负压给水设备正式投向市场已有七、八年的时间。由于管网直接增压方式具有节能、节水、省地、省材的优点，特别是因其减少或根除水体二次污染，保障水质卫生安全的特点，而深受业界﹑用户的关注和市场的欢迎，进而推动了该项技术的进步和发展。可以认为该项技术已发展到了具有理论上的说服力和实践证明力的较成熟阶段。已经有条件在较大范围试用和推广使用。推广“直供水”技术和应用“无负压给水设备”的主体应该是管网一方，即城镇供水系统。因而，管网准用条件是该项技术成果推广应用广度和深度的决定性因素。而如何结合自己城市和供水系统的具体情况，制定出合理、规范、便于操作的“准用条件”是应该深入研究的课题。 
1.管网供水能力和取水流量的限定 
1.1管网能力的限制条件 
        为了限制无负压给水设备超过管网能力取水而使管网压力下降，一些城市在“试用”、“准用”或“技术要求”等文件中，提出了各种限制条件，例如： 
●市政管网管径为300mm时吸水管管径不大于100mm（管径限制）。 
●直接加压设备吸水管流速大于1.5m/S（流速限制）。 
●单套设备的额定供水量不得大于32 m3/d（装机容量限制）。 
●供水小区总建筑面积不得大于20万㎡（建筑面积限制）。 
●利用管网压力不得大于0.12MPa（取水管路压降限制）。 
●水泵吸入口压力低于0.2MPa时自动停泵（水泵吸水口压力限制）。 
●管网压力应大于或等于0.22MPa（管网压力限制）。 
●使用该设备对自来水管网串接处产生的压降应小于0.01～0.02 MPa(管网压降限制)。 
●市政供水管网口径应大于或等于DN300，楼前供水干管管径应大于DN150（管网管径限制）。 
诸多的限制条件体现了管网方面对直接供水技术应用的谨慎态度和对直接装泵抽水的重重顾虑，这是可以理解的。但限制条件的保守、繁复﹑相互矛盾﹑缺乏依据或难以计算和预测时，会使设计者无法下手设计；设备投入使用前用户无法明确得知该设备是否会被违规禁用；或本有条件使用者无法实施，显然不利于该项技术的推广应用。 
1.2管网能力的分析 
       宏观上看，管网供水能力取决于净水厂制水能力、送水泵站送水能力、管网配水能力与送水量是否配套，以及管网运行调度的动态供水能力是否可满足用户最大需求水量的要求。目前，国内很多城市出现供水能力充足或过剩的局面。表现为水厂送水压力过高；管网服务压力升高；末端压力合格率上升；管段实际流速低于管网设计之最大流速和经济流速等具象上。管网能力的提高是推广“直接供水”方式的物质基础和前提条件。 
具体地谈管网能力问题实际上是个体用户的需求、管网能否满足的问题。例如：某用户申请供水，其居住小区有普通Ⅱ类住宅500户，依建筑给水设计规范设计之秒流量（最大短时流量）为13L/S（47m³/h），根据地理位置应在某管段上（例如DN300管）开口接出取水管。而该管段是否有能力满足需要？实际上这是一个管网水力计算的问题。管网的拓朴结构有环状和枝状类别之分，水力计算方法毋需赘述。管网水力计算题目对于管网经常性管理工作较差的供水系统，可能会因基础数据和运行数据不足，解题时有些困难。这可以通过测压、测流、试验等工作来获取数据，并逐步使管网管理工作科学、正规地完善起来。 
当水力计算结果认为该管段取水能够满足用户需求时，则可批准该用户之取水流量，并依照国家标准如《室外给水设计规范》等设计出经济合理的居住小区的进水管路图。 示例如图1

图1  小区进水管路计算示例

水力计算公式：

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

            式中：H：管网接口点水压

                  L：出水管长度

                  d: 出水管径

                  ￡a、￡b、￡v局部损失系数

                  λ：取水管摩擦损失系数

            Q=N/4d2V                       ----（2）

            式中：Q：自由出水流量

                  V：管内流速

       依计算公式(1)、(2)可以算出该小区进水管路的自由出水流量，即管路向开口容器（水池）送水的流量Q=114m³/h。如果在出水管端连接水泵抽水，此流量Q就是应限制的负压抽水的临界点，只要可控制水泵的出水流量小于限制流量Q，则不会出现负压吸水现象。应该指出，水泵直接管网增压时所增补扬程的高、低对管网的压力降无任何影响，唯有取水流量是影响管网压力的因素。例如：500户低层住宅用水量和经过水泵加压后送至数十米高层住宅500户时的用水量是相同的，水泵增压而不增流量,自然不会因为增压而影响管网压力安定。所以，只要可以控制住水泵在任何工况下都不会超过限量抽水，即：只需要将“水泵应在管网限定流量下运转不得超量取水”列为管网直接加压供水设备的准用条件就可无能力不足之虑了。 
1.3无负压给水设备   实现“不超量取水”的原理和方法。 
       负压给水设备按工作原理分类可分为两类。负压消除型和无负压生成型。 
1.3.1负压消除型 

图2  无负压给水设备示意图
       进水管从水罐上部注水入罐。罐顶装有一个注排气阀，它具有在满水时关闭，在罐内产生负压或水位下降时打开阀门补入大气的作用，所以也被称为“真空消除器”“真空补偿器”等。该类装置有浮子、浮球等机械式、有靠电接点真空表或水罐水位接点控制电磁阀启闭的电动式等方式各异，名称标新的很多品类。在水罐注满水时此阀闭紧，此时水罐为承压的密闭容器，可视为管路上增加了一个有突然放大和突然缩小局部阻力损失的异径管。罐底连接至水泵进水口，并建立了水泵出水口的静水头。 
设备运行有如下三种工况： 
(1)管流静止状态（水泵停转时） 
Q1 = Q2 = 0 
P1 = P0 = P2                           (3) 
式中 Q1 — 进水管流量 
         Q2 — 出水管流量 
P1 — 自来水管网压力 
P0 — 进水口压力（P0≈水罐内压力） 
P2 — 出水管压力 
(2)管流为连续流状态（水罐满水时） 
Q1 = Q2 = 用户使用流量 
P0 = P1 - SQ1²                          (4) 
P2 = P0 + △H 
式中   S — 进水管路阻力特性系数 
       △H — 水泵作功扬程 
       此时管流可视为连续性非恒定流。水泵依据用水流量的变化而变速运转，自动改变扬程P2和流量Q2满足用水需求。进水管流符合不可压缩流体稳定流动的连续性方程式特征，故Q1 = Q2；进水口压力P0可叠加到水泵扬程上利用。所叠压力是随流量而变的变量而非定量，更不是管网上的压力P1。在叠压节能计算和设计选泵时应考虑此数学关系。 
(3) 管流分离状态（水罐接通大气时） 
Q1 < Q2 
P0 ≈ 0               (5) 
P2 = △H 
       当用水流量增大，水泵升速追随，致使Q2 > Q1，此时由于水罐补水△Q = Q2 - Q1，使罐内水位下降，导致管流拉断，破坏了连续性流态而产生负压。若罐顶上的注气阀在负压生成后可及时打开补入大气，则使水罐变为了开口容器。这时的进水流量Q1为管网压力P1和管路阻力特性决定的最大能力流量，是负压吸水的临界流量。水泵此时工况为虽无吸程也无叠压的水池取水方式，出水则是以设定的恒压控制线控制水泵转数的传统变频供水方式。形成了出水管流与进水管流不相关的连续性流态，向用户正常供水。 
       从上述分析中可以看出：由于设备在负压生成后可以消除，所以从管网取水流量不会大于自由流出流量即负压吸水之临界流量。如果认为该流量是管网准用的最大流量，则设备并未超此限量。 
然而令管网方有所顾虑的是，进气阀可靠性难以把握，一旦进气阀不能打开，而水泵出水又出现大流量的工况时岂不是负压下超量取水吗？因此，还需要要求进水口有停泵压力的控制。 
   1.3.2无负压生成型 
       以智能控制的手段使水泵在限定流量下运转，使水泵出水量不会大于自由流出流量则根本不会产生负压，而不是产生后再去消除。该类设备工作原理可用图3说明。

       以图1示例管路及数据绘制出曲线，可见到当满足用户所需最大流量13m/S时，进水口之压力P0为0.17MPa。将此点作为水泵调速的流量控制点，控制水泵在运转或事故等任何时候均不会超过控制流量出水，则根本不会产生负压，而使管路水流保持连续流态。 
还可以看到，水泵在控制流量下从管网中的最大取水量为43m³/h，而管路自由流入水池时的流量可达到114 m³/h。显然，前者对管网压力的影响会更少。 
    2、不可忽视“瞬变流”对管网的冲击 
       对“无负压给水”这一约定俗成的称谓尚无规范和准确的定义。如果以“无负压”即“无吸程”来解释，是指水泵或设备不会在负压下抽水，即该套设备不会比管网取水管向水池放水的流量大。因此，管网有能力向小区供水时就无理由准用“水池”而禁用“无负压设备”。孰不知，承担着向社会提供生活必需的公共产品的责任人——管网一方，最为担心的是五花八门的设备与管网直接连接后会对管网安全产生不良影响。例如“瞬变流”对管网的冲击。 
       在密闭的压力输配液体的长距离管路中，瞬间产生负压的现象是常见或不可避免的。例如：流量（流速）瞬变，旋涡流中心，十字连接管流量分配突变，T型连接时水射器原理，文丘里管效应，虹吸或高差跌落，管网流速图上流束尖峰等环境下都会有“负压”生成，其中因瞬变流产生的拉断——弥合水锤是危害管网安全的大敌。“水锤”可产生的超常压力，以及由于负压、气囊、气阻、振荡、冲刷管壁等现象不仅会影响管网安全运行，而且会产生影响水质的“赤水”“混水”出现。所以对于管龄长、无内防腐衬里的陈旧管路，还是应慎用直接抽水的设备。对于无负压类设备，应该要求它具有抑制和消除瞬变流态的对策。由于对瞬变流冲击的监测，试验和定量分析是很困难的事情，因此要提出合理的具体的技术指标和检测方法，还有待深入地研究，但起码要求准用的设备工作原理清楚并有理论上的说服力，对于忽视“瞬变流”存在的“无负压给水设备”，有理由持保留态度。 
3、涉及饮用水卫生安全方面的限制条件 
       准用的给水设备应符合国家和地方生活饮用水卫生监督管理及涉水产品安全卫生的有关规定。对于“无负压给水设备”还应包括，防止倒流污染和防止水泵停机时间过长而产生“死水”污染等要求。关于是否要求在设备中增设消毒设施或补氯等措施，应视是否存在水体贮留来确定。对于全密闭无蓄水容积的直供水方式，当然可以不必考虑。 
●结语 
       直接供水系统是指从水厂→管网→增压→用户的连续流程，构建这个系统是一项复杂的系统工程。而且直接供水方式是对传统供水体系的变革，不仅有大量的技术课题需要面对，而且还有涉及法律、行政管理和各方面利益等诸多矛盾需要解决，可喜的是，目前一些城市已经开始了对这些课题的研究并取得了成果和经验。