（环境工程专业论文）室外真空排水管网特性试验研究.pdf

硕士学位论文 摘要 室外真空排水系统最早出现于1 9 世纪6 0 年代，2 0 世纪9 0 年代进入我国。 室外真空排水系统依靠压力差来输送污水，在气压差的作用下，将污水从收集井 送到辅设成波浪形的真空排水管网，最终输送到真空站内的真空容器中。系统具 有密封性好、无渗漏、无气味、无臭味外逸；埋深浅、管径小、无淤泥、运管费 低、投资小等优点，具有广阔的市场前景。对该系统技术的开发和应用研究，将 解决国内重力排水在工程运用中的难题，降低工程投资。 室外真空排水系统的设计计算中，管网压力损失的确定对于系统能否正常工 作、保障排水安全至关重要。合理的计算系统的压力损失，是设备选型、确定管 网铺设形式、提升高度以及服务半径的基础，是系统设计过程中的重要一步。系 统的摩擦压力损失，传统采用哈森一威廉公式或其修正形式进行计算，但由于忽 略了管网内流体是多相流的特性，导致计算结果与实际值比偏离较大。本文对真 空排水管网中流体流态进行了详细分析，将其化简为气液两相环状流，并基于两 相流体力学中确定压降的经验方法洛克哈特一马庭内里方法，对室外真空排水摩 擦压力损失计算公式进行了理论推导，得到了基于两相流的系统摩擦压力损失理 论计算公式。并通过试验对理论推导公式进行检验。 依托市政工程研究所自主研制开发的一套真空排水系统试验设备，模拟了一 个实际工程的规模，进行了试验研究。在调试阶段，解决了系统运行过程中出现 的问题，排除了电控系统、真空泵及污水泵运行过程中出现的故障，对整个系统 气密性进行了考察。通过摩擦压力损失试验，将试验测得值与本文推导的两相流 摩擦压力损失公式计算值比较后发现，本文推导基于两相流的摩擦压力损失计算 公式，比传统哈森一威廉公式以及修正的哈森一威廉公式计算结果与实际系统运行 情况更接近。在真空度、管径和管材不同的条件下，应用本文推导公式进行计算， 都能得到比较满意的结果。 同时试验过程中发现，通过在真空站与污水泵出口处加装压力平衡管可以很 好地解决了由于真空站负压高，导致污水泵理论气蚀余量小于实际汽蚀余量而污 水泵不能正常输送污水问题。并通过试验得到了最优管径的压力平衡管。在保证 污水泵的安全运行的同时，又减少污水泵的运行时间和启动次数，达到了节能减 摘要 耗的效果。 最后，对室外真空排水系统设计进行了介绍。详细分析、论述了系统的服务 半径，应用基于两相流推导出的摩擦压力损失计算公式，通过分析讨论与理论计 算，预测得出了一般情况下真空排水系统服务半径约为2 3 0 0 米。 相信随着国内对真空排水系统研究的深入，技术的成熟、设备的国产化，真 空排水系统的应用也将越来越广泛，必将成为传统重力排水的重要补充和替代， 推动我国市政建设的新发展。 关键词：真空排水摩擦压力损失压力平衡管服务半径 i i 硕士学位论文 a b s t r a c t 0 1 嚏t d o o rv a a u 瑚d r a i n a g es y s t e mh i l sb e e i le x p l o i t e di n19 lc e l l t i l r y6 0 s ni s i n 呐d u c e di n t o 池i i l2 0 mc e 咖9 0 s 。i tu s e st h ev a c u 吼ep r e s s u et os u c k w a s t e w a t e fi n t 0v a u 釉m ep i p ea n d 行鲫- s f 打m e mt 0t h ef i n a lv a c u m m ec e n t t h e s y s t e mh 觞al o to fa d e v e n t a g e ，s u c h 瑟n o g r a d i e n t ，q u i c ki i l s t a l l a t i o n ，n 0l e e k ，n o o d o 峨s h a l l o wc o v l i t t l ep i p ed i 锄e t e r ，n os 1 u d g e ，1 0 wi n v e s 仃n e na 1 1 do p e r a t i o nc o s t s r e s e a r c h 觚de x p l o i ti i lq 】t d o o rv a c 叫md r a i l l a g es y s t 咖w i l lb eh e l p 协o v e r c o 曲n g p r o b l e m si i l 仃a d i t i o ne 1 1 9 洫e e r i n ga n dc u t t i n gm e c o s to fi n v e s 缸1 1 e n t s l o 访n gt 1 1 ep r i d b l e l i li i le i l g m e 嘶n 蜀ma ：鼬gi n 咖【l 嘶o ni nd e s i 弘，砌c h 觚u yw i n c u tm ec o s to f p r 巧e c ti n v e s 乜1 1 e n t t h ev a c u mp i p e l i i l ep r e s s u r cl o s si s a i l i l p o r t 觚tp a r a m e t e r i ns y s t e m d e s i 盟h o wt oc a l c u l a t es y s t e mp r e s s u r el o s si sm ef 1 0 u l l d a t i o no fe q u i p m e n ts e l e c t i o n ， p i p d i n e1 a y o u t a n ds e r v i c er a d i u sc o n f i 肌h a z e i l w i l l i 锄sf o 咖u l a a n di t s 锄e n d a t c 州f o m l u l aa r et r a d i t i o n a lc a l c u l a t i o nm e m o d s b e c a u s eo ft 1 1 e i ri g n o m c eo f i n u t i l p h a s e c h a r a c t e ro fn o wi np i p e l i n e ，m e yu s u a l l yh a v ea1 鹕ee 玎o r i l l “s p a p w ed e t a i l e d l ya i l a l y s e dm e s t a t eo fn o wi nv a c u u mp i p e l i n ea 1 1 dt 1 1 e nc o n v e n e d t h 锄i n t og a s 1 i q u i d 铆op h a s ec i r c u l a r i t yf l o w w eg e tm ef o n n u l a ro f 伍c t i o n p r e s s u r el o s su s i l l g ( m - l ) m 甜l o d ，w h i c h 谢1 1b e c h e c k e di nf o l l o w i n ge x p e 凼【1 e n t c i i lm eb a s i so fas u i to fe x p 耐m e n t a le q u i p m e n to fv a c u u i i i ld r a i n a g es y s t e mi n s e l f d e t 锄i 1 1 a t i o n ，w es i m u l a t i n gap r a c t i c a lp r o j e c t ，a n dp 砌n gu pae x p 嘶m e n t a l r e s e 鲫c h h 1 也ep h a s eo fd e b u g g i n g ，w es l o v et l l ep r o b l e mi ne l e c t r o m o t i o nc o n 仃0 1 s y s t 锄，w a c u 啪p l l l 】叩a i l dw a s t ew a t e rp 啪p ，a n dt e s t t 1 1 es y s t 锄p r e s 嘶z a t i o n c a p a b i l i 够t h c i lw em a l 【ee x p e r i m e n tt oi n v e s t i g a t et l l ev a l i d i t yo fm ef o n l l u l a i i l e x p e r i m e n t sw ef o u n dt 1 1 a tm ec a c u l a t i o nf o r n l u l ab a s e do ng a s l i q u i d 俩o - p h a s en o w i sb e t t e rt l l a i l 吐l ec a c u l a t i o nf o m m l ao f 仃a d i t i o n a lh a z e n w i l l i 锄sa n dm o d i f i c a t o 巧 h a z e n w i l l i a m si np r e c i s e u s i n gm ef o 如m l a ，i nm ec o n d i c t i o no fd i 俄r e n tp i p e d i a m e t e r sa n dp i p em a t e r a l s ，w ec a ng e ts a t i s f a c t o r yr e s u l t s a 1 s oi ne x p 甜m e n t ，w ef o u l l dt l l a tb e c a u s eo ft h eh i 出v a c u u mi nv a c 删mv e s s e l ， t 1 1 ew a s t ew a t e rp u n l ph a sl i t t l em e o r e t i c a l l yn a s pt h a l lm ep r a c t i c a ln a s p ，w h i c h h l 摘要 m a l 【e sad i 伍c u l t yi np 啪p i i 埯w a s t ew a t e ro u to fm ev a c u 啪v e s s d w 色c a ns o l v em e p r o b l e mw i t hi n s t a l l i i 坞ap r e s s u r ep i p l eb e 呐e e nv a c m l m v e s s e la n do u tw a t e rp i p l eo f 吐【ep u m p w ec 弛g e ta i lo p t i m a ld i 锄e t e ro ft l l ep r e s s 眦eb a l 锄c ep i p e nw i l lm a k e s u r eo f s a 封枷n ga l l d 舭也es t a m u p 觚dr u n i l i i l g 乜m e so f 此p 眦p f i n a l l yw eu s e l ec a c u l 撕o n gf o n i ! l u l ao f 衔c t i o np r e s 蹦el o s sb 弱e d0 n 也e m e r oo fg a s l i q 试d 栅。一p h a s ej f l 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章真空排水管网摩擦压力损失理论分析与推导1 8 2 1 气液两相流水平管道中的流动型态1 8 2 2 室外真空排水管网流体流态分析1 8 2 3 真空排水管网摩擦压力损失1 9 2 3 1 摩擦压力损失的传统计算方法1 9 2 3 2 摩擦压力损失的修正计算方法2 0 2 3 3 基于两相流的摩擦压力损失计算方法2 1 2 4 两相流摩擦压力损失计算公式推导2 2 2 5 室外真空排水摩擦压降损失计算方法比较2 4 目录 第3 章室外真空排水系统试验研究2 6 3 1 研究目标、方法和技术路线2 6 3 1 1 研究目标2 6 3 1 2 研究方法2 6 3 1 3 技术路线2 6 3 2 试验仪器、设备2 7 3 2 1 试验设备2 7 3 2 2 试验装置系统简介2 8 3 2 3 试验装置单体详介3 0 3 3 试验内容3 4 3 3 1 系统调试运行3 4 3 3 2 管网摩擦损失的试验研究3 5 3 3 3 系统平衡管的试验研究3 8 第4 章试验结果及分析4 0 4 1 系统调试运行4 0 4 1 1 电控系统调试4 0 4 1 2 真空泵调试4 0 4 1 3 污水泵调试4 1 4 1 4 系统气密性能调试4 2 4 2 真空排水管网摩擦压力损失试验研究4 2 4 2 1d n 3 2u p v c 试验管段4 2 4 2 2d n 5 0u p v c 试验管段4 5 4 2 3d n 3 2a b s 试验管段4 7 4 2 4d n 5 0a b s 试验管段4 9 4 2 5 摩擦压力损失试验小结5 1 4 3 系统平衡管试验研究5 2 4 4 试验小结5 4 第5 章室外真空排水系统的设计5 6 硕士学位论文 5 1 室外真空排水系统设计方法5 6 5 1 1 设计流量5 6 5 1 2 真空管网管径5 6 5 1 3 气液比5 7 5 1 4 真空站5 7 5 1 5 管网压力损失确定5 8 5 2 室外真空排水系统施工设计5 9 5 2 1 室外真空排水系统的初步布局5 9 5 2 2 管网6 0 5 2 3 真空管道的弯曲半径6 2 5 2 4 分区阀6 2 5 3 室外真空排水系统服务半径的讨论与估算6 2 5 3 1 真空排水系统管网敷设原则6 2 5 3 2 真空排水系统服务半径估算6 4 5 3 3 本章小结6 7 第6 章总结6 8 6 1 研究结论6 8 6 2 需要进一步进行的工作6 9 参考文献7 1 致谢7 7 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 室外真空排水系统简介 1 1 1 室外真空排水系统的概念 排水系统是指将排水单元内排放的污、废水输送至远端受纳水体或污水处理 终端的整个系统。 排水系统按排水管网的分布范围，分为室内排水系统和室外排水系统。室内 排水系统是指以建筑物内卫生器具排水点为起始点，建筑物外污水收集井进水点 为终点的一段管路；室外排水系统指从建筑物单体污水收集井出水点到市政污水 管网或市政污水处理厂的一段管路。 室外真空排水系统，顾名思义，就是依靠真空压力差作为动力来输送污水， 将污水从建筑物外单体污水收集井输送到市政污水处理终端或市政污水管网的 排水系统n 1 。 1 1 2 室外真空排水系统的组成及工作原理： 室外真空排水系统由污水收集井、真空接触阀( 真空控制阀) 、真空排水管 网、真空站、真空监控系统等组成嘲嘲h 1 ，见图卜1 。 圆 图卜1 室外真空排水系统组成图 f i g 1 - lc 0 i n p ( m e n to f o u td o o rv a a m m 蛐a g es ) ，s t 锄 在真空排水系统中，真空排水管道的真空是由中央真空发生器( 即真空泵) 和真空容器产生和维持。污水被重力吸引到真空系统起端的污水收集井里。当收 集井内的污水水位达到预先设定值时，自动气动装置打开真空阀。在气压差的作 用下，将污水从收集井送到辅设成波浪形的真空排水管网作波浪形间歇运动，气 第l 章绪论 水混合物沿着管网输送直至停留在波浪形管道的低洼处。污水停留在低洼处直到 收集井水位再次达到设计值，气压差促使污水更进步的沿管路流动，直至输送 到真空站内的真空容器中脚。再由污水泵从容器底部把污水抽出，排放到市政污 水管网，或者污水处理装置进行处理，见图卜2 。 棒承干髯或 污承赫壤厂 图卜2 室外真空排水系统系统图 f i g 1 - 2f i g l 】r co fo u td o o rv l c l m md r a i n a g es y s t e m 1 1 2 1 单体污水收集井 污水收集井作为真空排水系统的起点设施，通常设置于各单体建筑附近，视 具体情况每栋建筑可设置1 个或多个，污水首先在室内依重力排到室外检查井， 把各重力污水管网中的最后一个污水检查井作为该单体的污水收集井嘲。 1 1 2 2 真空接触启动装置 真空接触启动装置作为真空排水系统的一个组成部分，其位于污水收集井 内，控制着系统的工作。国外采用专用的真空接触阀作为启动装置，一般情况下 其工作步骤如下1 ： 首先，真空接触阀设有气压感应软管，当污水收集井中的污水水位升高时， 软管内的空气随着污水水位的升高而受到压缩，使软管内气压上升。 接着，气压通过该软管传递到接触阀顶部的压力感应器，当感应软管中的气 压增大至某一额定值时，压力开关打开，真空排水系统便开始工作。此时，在真 硕士学位论文 空压差的条件下，作用于收集井中污水液面上的大气压将污水送进接触阀后的真 空管道中。 随着集水井中污水携带的空气进入和污水中空气的逸出，井中水位回落，使 得真空管路中的气压下降，当真空管路中的气压降低到一定值时，压力开关自动 将阀体关闭，系统的一个工作周期结束，将进入下一个循环周期。 真空接触启闭装置也可采用其他的控制形式，如采用电p l c 电磁真空阀( 本 试验采用) 。 1 1 2 3 真空排水管道 真空排水管道包括真空排水干管和支管，一般选用耐压优质塑料管。排水干 管和支管之间的连接采用2 个4 5 。弯头，形成顺流的条件，减小支流对干流的干 扰。 由于真空压差的作用，污水在排水管道中运动呈压力流状态，由支管向干管 流动。在真空接触阀刚打开的瞬间，污水在排水支管中的流速平均为4m s ，最 高可达5 6m s ，由于收集井中空气和污水中逸出的空气的进入，管道内真空 度逐渐降低，管内与外界压差逐渐减小，该流速也将逐渐减小。当管内外压力趋 于平衡时，真空接触阀关闭，管内污水将处于重力流状态，污水将汇集到管网末 段的最低点阳1 。因此，真空排水管道应按段敷设成波浪形或锯齿状，以便汇集部 分污水，用作产生真空时所需的水封。故污水在真空管道中输送，是分段接力输 送，间歇运行，而不是一次就到达排放点。 1 1 2 4 真空站 真空站是整个真空排水系统的心脏，通过真空泵抽吸作用使真空罐保持真空 状态，真空罐使真空排水管道与集水井之间形成真空压差，真空压差使污水在管 路中得以输送。一般真空站由真空泵、污水泵以及真空储罐能和污水储存罐组成。 1 1 2 5 真空接触阀的监控系统 真空接触阀的监控系统其功能是准确及时地发现管网中真空失效点，以维持 系统的正常运行。在管网运行过程中，真空失效点的出现通常是由于接触阀不能 正常关闭而造成。监控系统则通过对真空接触阀启闭状态的监控，对不能正常关 闭的接触阀进行定点扫描，以便找出真空失效点。其工作原理是在真空接触阀的 阀体上安装感应器，感应器另一端通过信号电缆连接到监控系统，并将阀的启闭 第l 章绪论 状态信号反馈到监控系统的显示面板( 通常安装在真空站内) 上。当真空接触阀 长时间处于开启状态时，显示面板上的指示灯会亮，并同时显示其代码。通过这 种方式迅速发现不能正常关闭的真空阀，缩短维修人员检修管网的时间，并保证 真空排水系统能尽快重新投入正常工作。 1 1 3 室外真空排水系统的特点 室外真空排水系统的特点是在与传统重力排水系统比较中得出的，因此有必 要对室外传统重力排水系统进行一下介绍。传统重力排水系统是依靠重力流来输 送污水，利用管道首末段形成的高差将污水从高处输送到低处的排水系统。 1 1 3 1 传统重力排水系统工作原理及特点： 传统重力排水系统的优点主要为不需要外加动力就能输送污水，并且不需要 设置管网监控系统，运行管理方便，应用广泛等。但随着社会的进步，传统重力 排水系统的弊端也逐渐暴露出来。 由于粪便易在管道内沉积而堵塞管道，因此需要大直径的管道并采用大坡度 向下均匀铺设，以利用固体物的自身重力及大量的冲刷水来获得一定的冲刷速 度，使大块粪便破碎并与污水混合流动起来，但其冲刷速度仍很低( 一般为 o 3 一o 4 米秒) ，管道仍易堵塞，管道还不宜多处转弯。因为污水是依靠重力排 放的，需要一定的向下倾斜坡度，故埋设管网的基坑深且宽。管网铺设到一定深 度，还需要提升站进行提升，管网及设备费用高。由于管道内为自由流，不能完 全密闭，因此局部积水的地方在夏天等温度较高的条件下，会滋生细菌病毒蚊虫 等。管道衔接处容易出现漏水，而无法被发觉，污染地下水。在地势不平坦的地 区( 地形高差悬殊) ，土壤不稳定地区( 土质疏松易引起沉降) ，周围水域的水位 高的居民生活区( 如湖区) ，地下己埋设了其它市政公共设施的地区，挖掘过深的 地坑对周围建筑物会造成影响的地区，岩石层浅、表层土很薄的地区，都不适合 采用传统重力排水，会造成工程投资成本大幅上升。嘲。 传统排水系统无论在水资源的有效利用还是环境保护方面都显示出了严重 的不足，对于经济尚不发达的中国，单靠传统排水系统解决环境和水资源危机这 问题是不现实的。真空排水系统作为一种新型的生态卫生系统，为我国提供了一 种可以更快速、经济有效的减少环境污染、实现水资源可持续利用的模式n 们n 1 1 2 1 。 1 1 3 2 与传统重力排水系统相比，真空排水系统具有以下特点： 4 硕士学位论文 ( 1 ) 在设计和施工方面： 由于污水在管中输送呈满流状态，流速快，管径小，若按重力排水设计充满 度为0 5 计，在同等的条件下，真空排水管管径仅为重力排水管径的三分之一， 小管径的真空排水管道可以置于浅而窄的沟槽中，挖槽、回填及地面恢复所需工 程费用显著降低，施工工期短，对交通影响可以降到最低。管道敷设不需坡度、 竖向处理容易、施工安装方便快捷。由于受重力影响小，真空排水系统管道敷设 不需要坡度，可以使污水竖向输送成为可能n 3 。 随着城市化进展的加快、生态居住小区人居环境的自然回归、强化修复水环 境措施的出台和评估体系的完善，人工河湖、溪流、喷泉等水环境已成为可持续 发展生态居住小区及城市环境的重要组成部分n 朝n 6 1 7 。这些设施不可避免地要 与市政设施尤其是排水管网在平面上或竖向与其交叉，这就对相应配套的排水系 统提出了更高的要求。目前，污水在排水系统中均采用单一的重力输送的传统方 式，在上述条件下，排水系统的布置在技术上带来较大的难度。真空排水系统可 以无障碍地应用于任何条件，该技术的应用使排水系统进一步得以完善n 8 口引。 ( 2 ) 应用范围方面： 室外真空排水系统应用范围十分广泛，可以替代重力排水应用于所有采用传 统重力排水的地区。真空排水系统在以下地型条件下还具有重力排水不可比肩的 优势n4 1 ： 地下水位高的地区，如：湖边、河边、海岸、洪水多发生地区； 住宅建筑密度低的地区； 地形平坦、坡度不够、地势陡峭或需要上升输送污水的地区； 地面地形复杂的地区，如：沼泽地、多岩石区、软地基地段； 需要进行排水系统改造地区，如：老城区、居住小区、工业区； 水资源保护地区； 污水流量少且成分变化复杂的地区，如：旅游胜地； 腐蚀性土壤地区； 没有条件使用重力排水地区； ( 3 ) 运行维护方面： 室外真空排水系统具有埋深浅、管径小、无淤泥、运行管理费低的特点。真 第1 章绪论 空排水系统属于压力流，因此安装排水管道时不需考虑重力系统的坡度要求，而 只需满足0 7m 覆土层的要求即可，这意味着管道安装时土方开挖及回填量将大 为减少，从而降低了排水管网的施工费用。另一方面，真空排水系统管网中的污 水处于压力流状态，其流速远大于重力流中的污水流速，其输水能量大，因而可 使排水干管的管径缩小2 3 级；同时流速远大于重力流自净流速，管道一般不 发生淤积现象，无需清掏，运行维护费低。 ( 4 ) 工程投资方面： 系统工程投资小。真空排水管道只需满足最低覆土深度，将大为减少了管道 安装时土方开挖及回填量，降低排水管道施工造价；排水管道处于压力流，其流 速远大于重力流中的污水流速，这样可以缩小排水干管2 3 级，降低排水管道 材料造价；真空排水管路无需设计检查井和提升泵站，系统无附属构筑物，节省 构筑物施工费用；旖工周期短，减少人为的人工工资n 引。当然，真空排水系统需 增设真空泵、真空罐、真空接触启动装置以及真空接触阀的监控系统与信号电缆， 但从整体成本考虑，真空排水系统增加的材料费及安装费在特殊地区将远低于真 空排水系统相对于重力排水系统节省的费用，从而降低了系统投资。 ( 5 ) 环境效益方面： 系统密封性好、无渗漏、无气味、无臭味外逸。由于真空排水系统处于负压 工作状态，密封性好，不渗漏和漫溢，是水资源保护地区的最佳选择；真空管道 较高的输送流速和持续通风，可以防止污水中的污染物在管道中沉淀淤积，不产 生异味或臭气，系统基本上无需清掏维护；管路上不需设检查井和提升泵站，无 异味外逸和污水的漫溢，可改善环境质量。 ( 6 ) 缺点和不足： 真空排水系统与重力排水系统相比，虽然节省了一部分一次性投资，但运行 成本相对较高。另外该系统对气密性的要求也比重力排水系统要高，这意味着对 施工质量的要求更高皿1 。真空排水系统也存在着一些缺点，诸如关键技术已经被 西方国家采用专利的形式垄断，造成进口设备( 如真空接触阀) 的成本较高，以 及对施工质量要求较高等雎引。 该系统已经在欧美许多国家得到广泛应用，1 9 9 7 年英国公共标准协会制定 了针对真空排水系统的规范，在美国、日本等过也有大型住宅区中应用的成功实 6 硕士学位论文 例。实践证明，由于不构筑检查井和管道基础，缩小了对区内道路宽度的限制， 且因街道上无污水检查井而使区内环境大为改善，系统投入也比用重力排水系统 可减少约2 5 瞳2 | 。虽然真空排水系统在我国尚未得到广泛的认同和应用，但在目 前大型住宅小区大量兴建的形势下，笔者认为真空排水系统是具有很好发展前景 的，且随着我国城市污水处理率的不断提高，以及人们对环境问题的日益关注， 可以认为真空排水系统有可能取代重力排水系统而成为未来主要的排水系统。相 信随着国内对真空排水系统的进一步研究，国外的技术垄断终将被突破。主要技 术被国内掌握，加上主要设备的国产化，室外真空排水系统在中国的工程应用一 定会越来越广泛。必将成为传统重力排水系统的重要替代和补充。 1 2 室外真空排水系统的研究进展 1 2 1 国外真空排水系统研究进展 真空排水系统是最开始是由1 8 6 0 荷兰工程师l i e 舢r 提出的。随着真空连接 阀门装置1 9 5 0 年被瑞典工程师发明并应用到系统中，1 9 8 0 年德国洛蒂格公司首 次将此系统运用到医院放射科，在室内安装了真空坐便器，取得较好的效果，1 9 8 7 年洛蒂格公司又将真空排水系统运用到室外排水系统，而不需改变室内重力排水 系统瞳铂 真空排水应用最广泛的场合就是真空厕所，这种系统常用于飞机、船舶、高 速客车上，如瑞典e v a c 公司为海峡隧道穿梭列车开发的e v a c 2 0 0 0 真空厕所，丹麦 s e m c o 公司生产s e m l e t 型真空厕所，西班牙t e m o i n s a 公司制造的t e m a v a c 型真空厕 所。在民用建筑中也有使用，如8 0 年代初美国华盛顿州建设的大型真空下水道系 统，排水户达1 2 0 0 0 户乜5 j 。目前这一技术已经比较成熟，已被美国国家环保局指 定为推广普及的新技术，用于替代传统的重力排水系统。 日本于1 9 8 7 年开始对室外真空排水系统进行研究，并较快的实现了实用化， 到1 9 9 4 年8 7 个城区与村镇采用了这种系统。日本水道协会修订的下水道施设计 划与设计指针1 9 9 4 年版亦收入了真空式下水道乜6 l 。 1 9 9 7 年英国公共标准协会制定了针对虹吸排水系统的规范b se n1 0 9 1 ： 1 9 9 7 。在美国的佛罗里达州，位于s a r a s o t a 县和c h a r l o t t e 县交界处的 e n 9 1 e w o o d 住宅区，面积达1 1 4k m 2 ，共17 0 0 户家庭，整个住宅区的室外排水系 第1 章绪论 统采真空排水系统。自1 9 9 7 年投入运行至今，整个系统状况仍然良好。另外，亚 洲的其他一些国家，也采用了该系统。比较具代表性的是位于文莱首都斯里巴加 弯市市郊的k a m p u n ga y e r 住宅区。它是世界上最大的水上架空住宅区，一共拥有 3 万住户n 引。 日本伊奈公司最近开发出能够满足大量污水排放需要的大口径真空式下水 道系统。真空式下水道系统是将管内抽成真空状，利用压力差来吸取污水，将其 输送到污水处理厂。该公司开发的下水管道，直径从原来的2 5 0 姗提高到3 0 0 4 5 0 m ，可以满足大型工厂的排污需要。 1 2 2 国内真空排水系统研究进展 国内对室外真空排水系统的研究还处于初步认识阶段，实际工程并不多，且 实际工程参数也都是参照国外的，国内主要的研究也仅是从工程的角度上作理论 性的分析，得出在实际工程中的一些应用参数瞳叫。 1 9 9 6 年，杨维娟等人首次对室外真空排水系统进行介绍，提出了真空排水系 统的三个要素即真空阀井、中继泵站和真空管道，并对三要素进行了概括的介绍， 指出这三个要素共同作用才能实现系统的功能。同时介绍了真空式下水道和压力 式下水道的特点和使用范围，认为与传统的重力流相比，其最突出的特点就是少 受和不受地形限制，大大减少了管道埋深。并且管道转弯和连接处可不设窨井， 缩短工期和旌工费用，同时由于管道具有很高的气密性杜绝了地下水的渗入，减 少了系统的水量负荷。因此对于某些特殊地形尤其适用腩4 】。 1 9 9 8 年，周敬宣等人介绍了室外真空下水道的结构特点，对室外真空排水 系统的工程应用进行了可行性分析。指出真空接触阀的开启时间一般为4s ，变 化范围3 3 0s ，可以把时间定为污水抽空时间的两倍。真空排水系统真空接 触阀收集井可以服务一户和数家用户。真空收集管道的直径一般为1 0 0 姗1 5 0 m m ，也有安装2 5 0m m 的，常用p v c 管或橡胶密封管。真空排水管道的敷设坡度 为0 2 ，通常随地形敷设。在接入主管的枝管上安装分区阀。真空站设有1 台 污水收集罐、1 台真空储备罐、若干台真空泵，排污泵、泵控制器和应急发电机 组。收集罐用钢或玻璃纤维制造。真空储备 罐直接与收集罐相联，可减少真空泵的频繁起动，以延长其使用寿命。这些 泵可以是水环式真空泵或是滑动叶片式真空泵，一般每天运行3 5 h 渊。 硕士学位论文 1 9 9 9 年，周敬宣等人对真空管网中粪便的上坡及远距离输送的机理和技术进 行了研究与分析。指出真空排水系统及人工湿地灰水处理系统与重力排污系统相 比，在环境保护及资源利用上具有独特的优势。通过对管道内流体运动规律的研 究，将管道大体上与地势平行铺设，但在上坡及水平地段，中间设置一定数目的 提升段。提升段由2 个4 5 度弯头和1 根直短管组成，在提升段后的管道以不小于o 2 的向下坡度铺设；同时保证低洼处的空隙为管内径的2 0 4 0 ，使管网内气 路畅通，在真空界面阀关闭后，整个管网迅速处于高真空状态啪1 。 2 0 0 0 年，周敬宣等人报导了真空排污系统的管网的铺设形式。指出污水在压 差的作用下，向前运动一段时间后，回落到各提升段的低洼处，所引起的激励波继 续向前传播，激发前方静止的污水再次运动起来。这样经多次提升，污水越过上坡 进入收集罐。由于只考虑向下坡度小于0 2 的管线的摩擦损失及各提升段的静压 头损失，因此，根据不同的系统运行水平，污水提升高度可达4 5 6 m ，输送距离可 达4 k m 嘲1 。尹军报道了真空排水管道系统原理，并对有关该系统的特点、排水能 力及当前所应用的新技术进行了若干分析坦川。 2 0 0 1 年，范舍金对真空卫生系统进行了介绍。介绍了真空卫生系统的概念， 详述了其组成、功能、优点及适用性。指出真空卫生系统具有节水，安装灵活、 节省时间，检修方便，满足卫生防疫和业主要求，并且具有使用场合广等传统重 力排水所不具备的优点3 | 。、 2 0 0 3 年，吴赛民等人对杭州市民中心工程地下建筑卫生排水系统的设计方案 进行技术经济比选，通过多种指标考察真空排水在该工程中应用的可行性。通过 技术经济比较得出结论，针对该项目，虽然在造价上真空排水系统比传统排水方 式高2 0 3 0 ，但真空排水在节能与运行维护环境保护方面具有传统重力排水 所不具备的独特优势口0 | 。 2 0 0 4 年，李金燕报道了室外真空下水道的排污原理，并从真空管道设计中水 头损失的取值范围；齿状结构的真空管道中，如何合理选取其倾斜段的倾斜度值； 以及管道弯曲布置时，其弯曲半径的取值范围m 1 。金铃等人报道了价值分析原理 在真空排污系统管材选择中的应用，认为合理的选用真空排污系统的管材是节省 工程投资，确保系统安全运行的重要环节。针对真空排水系统的特征，运用价值 原理的分析方法，分析出选择管材时应以保证使用功能为前提，选择价值系统高 9 第l 章绪论 的管材，对真空排污这一特殊管网系统，管道的密封性对系统的正常运行影响极 大，更要选择密封性能好的管材选用聚氯乙烯管时应选用优质管材及粘结剂， 严格按照施工规范进行管道粘结并作气密性试验，以确保接口的密封性。聚乙烯 管虽然价格略高，但热熔连接属本体连接，接口密封性好，实际工程中应优先选 择此种管材口2 l 。李劲等报道了住宅小区室外虹吸排水系统，从系统基本组成部分 以及工作原理进行了阐述，比较了传统重力排水系统与室外虹吸排水系统之间的 优缺点，从工程实例的角度论述了室外虹吸排水系统的应用，及其发展前景n4 1 。 2 0 0 5 年，郑慧明等报道了真空排污系统的污水流动主要形式及相关参数。 采用两相流理论中的回流条件给出了不同管径下使污水提升的最小气流速度约 为2 5 5 0 m s 。采用均相流模型计算两相流中沿程压力损失以预测真空排污系统 的输送能力嘲。同年，包虹等报道了上海国际赛车场排水系统设计，介绍了真空 排水系统的实际工程运用，并通过工程实例介绍了系统设计、运行过程中所遇到 的问题，具有极大的借鉴意义瞳引。左光应介绍了室外真空排水系统的工作原理， 以及真空排水系统的特点，详细分析了相对重力排水系统，室外真空排水系统的 具有优点，认为在室外排水系统的设计时，除了传统的重力排水系统外，还可选 用真空排水系统，具体应根据项目具体情况进行技术经济比较后确定乜封。李明等 人在分析多用户使用时，管网内气液多相流的流动型式的基础上，第一次采用均 相流模型建立了真空排污管网中的压力损失计算公式，此公式可用来估算所设计 管网的输送能力，为真空排污系统的开发和应用提供指导口引。 2 0 0 6 年，林红等人报道了湖区真空排水系统的设计，介绍了真空下水道系 统及管网敷设，以及通过实例设计计算和经济分析，认为在地形复杂，地下水位 比较高的地区，真空排水系统比传统重力排水系统在前期建设费用上节约2 0 3 0 ，在实际的运行和维护上，真空排水系统比传统重力排水系统高1 0 1 5 ， 但真空系统运行稳定可靠，管道出现问题可被及时检测而及时解决；即使系统管 道破裂，由于负压作用，也不会泄漏，因此对地下水的污染小，对周边环境影响 小瞄1 。段金明等报道了真空排污管内多相流动阻力特征研究，管道内阻力计算有 利于优化设计排污系统中管径及动力设备，对提高黑水、污泥等非牛顿流管道输 送的安全性、经济性具有重要指导意义。在分析真空管道内污水运动状态基础上， 推导了排污管道内气体一非牛顿流体两相流动摩阻压降梯度计算的通用关系式。 l o 硕士学位论文 通过算例探讨了管道内阻力随气流量和输送黑水的变化规律，管内多相流摩阻损 失的大小直接与工程设备的投资及运行费用有关，是工程设计的重要参数b 制。 2 0 0 7 年，周宝昌等人依托南京工业大学市政工程试验室，自主设计研发了 一套室外真空排水系统试验装置，通过试验与理论推导相结合，得到了室外真空 排水系统的设计参数和运行条件。阐述了室外真空排水系统管网系统服务范围、 管道的铺设形式、连接方式、弯曲半径和系统设计参数，并给出了计算方法，为 进一步的研究和应用该技术提供参考依据口驯。 2 0 0 8 年，邹廉报道了广州白云国际会议中心真空排水系统的设计。系统采 用德国专利技术，中方负责协助施工。通过工程实例介绍了广州白云国际会议中 心地下室的设计，详细叙述了其真空排水系统的设备配置、组成、动作过程、用 电量、维护等，比较了真空排水系统与传统设集水井采用潜水