無(wú)負(fù)壓供水設(shè)備管網(wǎng)準(zhǔn)用的三個(gè)技術(shù)條件
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管網(wǎng)之所以要有限制地準(zhǔn)用無(wú)負(fù)壓設(shè)備，是因?yàn)樵擃愒O(shè)備的使用會(huì)涉及到管網(wǎng)供應(yīng)能力、管網(wǎng)運(yùn)行安全和水質(zhì)安全等三個(gè)方面。所謂準(zhǔn)用技術(shù)條件，也就是管網(wǎng)對(duì)設(shè)備接入的技術(shù)要求或技術(shù)規(guī)范，可列出如下三條。在設(shè)備性能和使用環(huán)境可以滿足這三項(xiàng)要求時(shí)允許其接入管網(wǎng)使用。
一、接入管網(wǎng)的增壓給水設(shè)備應(yīng)在管網(wǎng)限定的流量下運(yùn)轉(zhuǎn)，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(diào)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(shí)流量和時(shí)變化系數(shù)增大。勢(shì)必要求水廠提高送水壓力以達(dá)到管網(wǎng)末端服務(wù)壓力。但水廠供水壓力的提高會(huì)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(yùn)行調(diào)度不及時(shí)等一系列連鎖反應(yīng)。在這些懸念性課題尚無(wú)定論的時(shí)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(kuò)大直接供水范圍。即：可以先利用當(dāng)前管網(wǎng)的余裕水頭、冗余的供水能力來(lái)擴(kuò)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(shè)備。
以流量為限定條件，用準(zhǔn)確的定量界定了供需雙方的權(quán)利和義務(wù)。當(dāng)管網(wǎng)壓力低于國(guó)家規(guī)定的服務(wù)壓力而供水不足時(shí)責(zé)在供方；而用戶方由于設(shè)備選用或使用不當(dāng)而造成超量取水
時(shí)應(yīng)當(dāng)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(qǐng)，通過(guò)管網(wǎng)平差計(jì)算或憑經(jīng)驗(yàn)判斷提出。供水驗(yàn)收時(shí)可用簡(jiǎn)單的方法和儀器進(jìn)行檢驗(yàn)。當(dāng)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(shè)備對(duì)自來(lái)水管網(wǎng)串接處產(chǎn)生的壓降差應(yīng)小于0.01至0.02MPa”。但用戶在設(shè)計(jì)選型時(shí)很難知道何以能滿足此條件？在用水驗(yàn)收時(shí)，供方（管網(wǎng)方）以何種方法確認(rèn)是該套設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)使管網(wǎng)壓降超標(biāo)，而不是管網(wǎng)上其它用戶或管網(wǎng)自身的問(wèn)題而造成的？壓力限制法可作為管網(wǎng)計(jì)算和確認(rèn)管網(wǎng)能力時(shí)的一種方法，在對(duì)供水能力宏觀評(píng)價(jià)或在計(jì)算某供水區(qū)域或管段有無(wú)條件使用直接抽水設(shè)備時(shí)是方便的計(jì)算方法。但作為對(duì)抽水設(shè)備的限制條件而提出時(shí)，尚需研究其可操性的問(wèn)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(jià)值取向，限制超過(guò)管網(wǎng)能力的區(qū)域或管段使用直接抽水設(shè)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(diào)峰功能來(lái)緩解管網(wǎng)承受的壓力；有待直接供水?dāng)U大化的規(guī)劃逐步實(shí)施時(shí)再去滿足該部分用戶的需要。因此不鼓勵(lì)為了調(diào)峰水量需要而加大進(jìn)水罐容積，因?yàn)楫?dāng)進(jìn)水流量不足以滿足高峰流量而通過(guò)罐內(nèi)蓄水補(bǔ)充時(shí)，罐內(nèi)會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，而消除負(fù)壓的技術(shù)和水罐容積計(jì)算方法在目前都難以說(shuō)是十分成熟的。當(dāng)然，某些用戶要求在管網(wǎng)斷水時(shí)保有一定儲(chǔ)備水量，進(jìn)水罐的容積也可以很大，但這是為了斷水時(shí)維持一段時(shí)間連續(xù)用水，而不是為了在管網(wǎng)正常運(yùn)行中起到調(diào)峰的作用。流量限定方法，將流量指標(biāo)作為控制抽水設(shè)備運(yùn)行的條件，控制住設(shè)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(jìn)水流量的限制和控制也不可能超量取水。所以可認(rèn)為該套設(shè)備不產(chǎn)生負(fù)壓。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，可能會(huì)顧慮限量供水會(huì)影響壓力、流量而供應(yīng)不足。但供方（管網(wǎng)方）限定流量之時(shí)，就已承諾了可滿足需要的前提，除了管網(wǎng)和設(shè)備故障的特殊情況外，正常用水不會(huì)受到限制和影響。應(yīng)該看到，目前很多城市已出現(xiàn)供水產(chǎn)品過(guò)剩局面，供水企業(yè)已在提高管網(wǎng)壓力擴(kuò)展市場(chǎng)。因此，“流量限制”已不是計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代定量供應(yīng)的內(nèi)涵。這里的“流量限制”主要是針對(duì)抽水設(shè)備的限制，防止設(shè)備在產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)超過(guò)定量取水而影響管網(wǎng)安全和相鄰用戶的用水安定。可形象地比喻為給設(shè)備裝上一條“限流的保險(xiǎn)絲”，防止設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不良或發(fā)生故障時(shí)殃及管網(wǎng)。當(dāng)然，經(jīng)常燒斷保險(xiǎn)絲的設(shè)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(shè)備，應(yīng)具有防止負(fù)壓、壓力振蕩及倒流的有效功能。
管道中出現(xiàn)負(fù)壓和隨之而來(lái)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(duì)直接抽水設(shè)備的首要功能要求就是為了保證管網(wǎng)安全而沒(méi)有負(fù)壓。無(wú)負(fù)壓功能的實(shí)現(xiàn)。
進(jìn)水管從水罐上部注水入罐。罐頂裝有一個(gè)注排氣閥，它具有在滿水時(shí)關(guān)閉，在罐內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓或水位下降時(shí)打開(kāi)閥門(mén)補(bǔ)入大氣的作用，所以也被稱為“真空消除器”“真空補(bǔ)償器”等。該類裝置有浮子、浮球等機(jī)械式、有靠電接點(diǎn)真空表或水罐水位接點(diǎn)控制電磁閥啟閉的電動(dòng)式等方式各異，名稱標(biāo)新的很多品類。在水罐注滿水時(shí)此閥閉緊，此時(shí)水罐為承壓的密閉容器，可視為管路上增加了一個(gè)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(jìn)水口，并建立了水泵出水口的靜水頭。
設(shè)備運(yùn)行有如下三種工況：
●管流靜止?fàn)顟B(tài)（水泵停轉(zhuǎn)時(shí)）
Q1=Q2=0
P1=P0=P2
式中Q1-進(jìn)水管流量
Q2-出水管流量
P1-自來(lái)水管網(wǎng)壓力
P0-進(jìn)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(shí)）
Q1=Q2=用戶使用流量
P0=P1-SQ1?
P2=P0+△H
式中S-進(jìn)水管路阻力特性系數(shù)
△H-水泵作功揚(yáng)程
此時(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)，自動(dòng)改變揚(yáng)程P2和流量Q2滿足用水需求。進(jìn)水管流符合不可壓縮流體穩(wěn)定流動(dòng)的連續(xù)性方程式特征，故Q1=Q2；進(jìn)水口壓力P0可疊加到水泵揚(yáng)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(jì)算和設(shè)計(jì)選泵時(shí)應(yīng)考慮此數(shù)學(xué)關(guān)系。
●管流分離狀態(tài)（水罐接通大氣時(shí)）
Q1<Q2
P0≈0
P2=△H
當(dāng)用水流量增大，水泵升速追隨，致使Q2>Q1，此時(shí)由于水罐補(bǔ)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(fù)壓。若罐頂上的注氣閥在負(fù)壓生成后可及時(shí)打開(kāi)補(bǔ)入大氣，則使水罐變?yōu)榱碎_(kāi)口容器。這時(shí)的進(jìn)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(fù)壓吸水的臨界流量。水泵此時(shí)工況為雖無(wú)吸程也無(wú)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(jìn)水管流不相關(guān)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(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)分析中忽略了重要的兩點(diǎn)：一是忽略了管路中瞬變流動(dòng)是負(fù)壓的重要成因；二是忽略了對(duì)負(fù)壓生成的瞬間到注氣閥打開(kāi)的△t時(shí)間內(nèi)過(guò)渡過(guò)程的描述和分析。
從前面的分析中可以看出，若有進(jìn)口流量控制使Q1≮Q2，或當(dāng)管網(wǎng)壓力很高，進(jìn)水管阻力很小而水泵額定流量較小時(shí)，根本就沒(méi)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(huì)產(chǎn)生負(fù)壓。但在管內(nèi)壓力突然波動(dòng)；水泵快速啟動(dòng)和臺(tái)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(huì)產(chǎn)生瞬變流態(tài)，使水柱瞬間分離而產(chǎn)生負(fù)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(diǎn)、匯合點(diǎn)、大阻力系數(shù)管件側(cè)及管壁粗糙、閥門(mén)半開(kāi)等處極易發(fā)生，是危害管網(wǎng)安全的大敵。
到某一值（可認(rèn)為是飽和蒸氣壓力值）時(shí)氣體必然要釋放。氣泡析出后會(huì)聚積為大氣泡而形
成氣囊，氣囊兩端形成壓差，在進(jìn)水流欲彌合此氣穴時(shí)壓迫氣囊，由于氣體的可壓縮性，在壓力傳遞過(guò)程中，猶如一個(gè)彈性器件，在壓縮、反彈的運(yùn)動(dòng)中引起管道壓力的振蕩，程度嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致管網(wǎng)爆管。同時(shí)應(yīng)該注意的是，在高壓振蕩狀態(tài)下管路注氣、排氣的過(guò)程是相當(dāng)復(fù)雜的，注排氣的可靠性也是較難把握的。在沒(méi)有深入研究排氣、注氣的機(jī)理和準(zhǔn)確計(jì)算方法時(shí)，裝上一個(gè)注氣閥就宣稱“無(wú)負(fù)壓”，顯然不是科學(xué)的態(tài)度；對(duì)于瞬變流及其過(guò)渡過(guò)程認(rèn)識(shí)不足，或不能計(jì)算出它對(duì)管網(wǎng)的沖擊可以有效排除或可忽略不計(jì)，就提出一個(gè)“無(wú)負(fù)壓”的結(jié)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(fù)壓生成的主要原因，防止負(fù)壓產(chǎn)生和消除負(fù)壓的對(duì)策應(yīng)首先從抑制和消除瞬變流入手。例如：可通過(guò)智能化控制方法，使設(shè)備運(yùn)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(huì)產(chǎn)生負(fù)壓。一旦控制系統(tǒng)失靈或響應(yīng)速度不夠時(shí)產(chǎn)生了負(fù)壓，可在設(shè)備水路中采用消除氣囊的技術(shù)作為第二重對(duì)策。很多在管網(wǎng)和長(zhǎng)距離輸水管道上常用的技術(shù)，如：有效排氣；；△t時(shí)段初壓力罐補(bǔ)水等方法，都可以用于無(wú)負(fù)壓給水設(shè)備上。目前依照這樣思路設(shè)計(jì)的產(chǎn)品已在一些城市使用，打出了“根本不產(chǎn)生負(fù)壓而不是產(chǎn)生后再去消除”招牌的無(wú)負(fù)壓給水設(shè)備已見(jiàn)上市。另外，也可以在進(jìn)水罐上繼續(xù)作文章，如在產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)將水泵出口高壓水引回水罐補(bǔ)水保壓（小流量保壓）；或通過(guò)出水旁路管回流調(diào)節(jié)出水流量Q2等方法，都可以不再依賴注氣閥打開(kāi)進(jìn)氣消除負(fù)壓，使水罐真正全密閉并保持管流連續(xù)。
管網(wǎng)選用的無(wú)負(fù)壓設(shè)備，可以通過(guò)對(duì)其設(shè)計(jì)理念、工作原理的分析，通過(guò)對(duì)外觀、設(shè)備構(gòu)造和所用水泵、管件的品質(zhì)等項(xiàng)檢查作出初步判斷。但“無(wú)負(fù)壓功能”的要求作為一項(xiàng)技術(shù)條件提出，就應(yīng)該有具體的技術(shù)指標(biāo)和檢驗(yàn)方法。否則，設(shè)備方提出了“無(wú)負(fù)壓”的概念或結(jié)果，管網(wǎng)方回應(yīng)以“并未發(fā)現(xiàn)負(fù)壓”或“該設(shè)備使用后對(duì)該地區(qū)用水未產(chǎn)生影響”等概念性的結(jié)論，難免會(huì)使得準(zhǔn)用條件形同虛設(shè)，無(wú)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(guó)外倒流事故防止技術(shù)有發(fā)生源防止方法如用戶側(cè)的防倒流水拴、防倒流水表等裝置，以及公用管路裝設(shè)倒流防止器等。倒流防止器的種類有單式逆止閥、復(fù)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(guó)倒流防止器問(wèn)世不久，品種單一，產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)的研究也剛剛開(kāi)始，如何根據(jù)不同的用水性質(zhì)，用
水環(huán)境和不同等級(jí)的污染源來(lái)選用產(chǎn)品，如何維護(hù)和管理等問(wèn)題都是有待深入研究的課題。在此之前還是應(yīng)該持慎重的態(tài)度，禁止醫(yī)院、生物、化學(xué)等用水類型的用戶使用無(wú)負(fù)壓給水
設(shè)備。另外，倒流防止器水頭損失很大，不僅會(huì)加大能耗而且大阻力器件及因此降低管路流
量都是負(fù)壓生成和管流振蕩的誘因。因此，開(kāi)發(fā)低損失水頭的防止倒流閥和內(nèi)藏防倒流功能的無(wú)負(fù)壓給水設(shè)備等新產(chǎn)品，是大有文章可作的。
三、在管網(wǎng)上使用的無(wú)負(fù)壓給水設(shè)備必須符合國(guó)家和地方生活飲用水衛(wèi)生監(jiān)督管理辦法（條例）及涉水產(chǎn)品安全衛(wèi)生
