真空管道高速输水形式在引水配水工程的应用.doc

泉州市豐澤大禹真空輸水科技有限公司 電話；空管道高速输水形式在引水配水工程的应用 福建泉州市丰泽大禹真空输水科技有限公司 翁友彬 管道输送流体，水头大的采用“重力流”，水头小的或负水头的，采用水泵加压输水，或两者结合应用，据笔者认为，管输，尤其是长距离引水、自来水配水与直饮水工程，除采用上述两种输水形式外，还存在第三种输水形式：真空管道高速输水。自从水的虹吸现象为人类所发现及利用，年代已相当久远。可人们对虹吸现象的研究，到目前还仅是表面的，实际工程中也只能实施直径在600毫米以下的虹吸管，并笼统地将它归纳在“重力流”范畴内。深入的研究与实施难度极大，其原因是，继续加大虹吸管实施直径及提高其真空度相当困难，导致管内水充盈度难以达到正常的运行状态。人们无法实际观察到超大直径的虹吸管在水充盈度很高的情况的运行流态，也就无法对虹吸作出正确的分析与描述。 流体从高位水池或水塔上重力自流的，称为“重力流”，重力流管输的始端，由于流体在进入管口时必然形成涡流，大气以肉眼见不到的微小气泡掺入水体并进入管内。气体不断掺进管内，管径越大、流速越快的，涡流掺进气体的量越大。这些被旋涡卷进管内的微小气泡，运行一段距离后，停留在各段管道的高凸处，其压力又不足以自动从排气阀排除，形成气阻，阻碍流体的正常运行。 “重力流”常应用于从水库引水，水库发电及自来水的重力自流配水工程，尽管设计人员设法减少沿程管道的弯曲与起伏，提高水管进水处的淹没深度，安装了减少涡流的装置，以及在管道中设置排气阀，但无法根本改变涡流的产生及消除水管中的掺气量。对从高位水池、水库重力自流，地势起伏大的引水工程来说，涡流产生后不断掺进的气体，使有压流中出现空泡，而流体不再是连续流，流速降低。不仅如此，空化区附近的水流对固体边壁产生的剥蚀破坏，久而久之将引起管道的断裂和材料的疲劳。 自来水重力配水工程，气体以肉眼观察不到的形态不断掺卷进管（网）内，停留并占据了管网中各段水管的高凸处，在流速较慢、水压偏低的水管中，窝占了部分或者全部过流截面，成为流体前进的主要障碍，尽管整个引水、配水管网的标高明显低于水厂高位水池，但在用水高峰期，打开管网中的地势较高处的水咀，出水量极少或根本不出水；用水低峰期，由于进入管网的流量减少，流速减慢，原进入管网中的气泡部分倒回到主管的始端，部分气泡随着高处水咀的打开而进入大气中，管网内的水充盈度得以提高，从而使管网中地势较高处的出水状况得以改善，也就呈现人们所称的“夜来水”。 利用水泵对水流进行做功，把机械能转变成压力能，使流体能量增加的输水形式，称为“压力流”。由于水泵是依靠叶轮的高速旋转产生离心力作用于流体的，压力管内流体只受到一个旋转的、单向的“推力”，这个“推力”依靠流体本身的传递，既要克服流体的重力，又要克服沿程的摩擦阻力，由于管内水充盈度不高，能量的传递受阻，其结果是：压力管的始端水压大，远离始端的水压小，水压随着管线距离的延长而逐渐降低。 对于大管径的长距离输水工程，须多台泵同时对一根大管进行加压。由于各泵扬程、功率不同，对流体作用力的角度不同，水泵叶片转动时产生的离心力，使流体微团间发生撞击，相互间也抵消了部分能量。地形起伏较大的长距离引水工程，沿程能量损失相对更大，管道末端的充盈度明显降低，流量随着管线的延长而超常减少。城市加压的自来水配水工程与直饮水工程，干支管铺设成树枝式或环状式管网，高差起伏大、弯头多、水管可“窝气”的高凸处多，水头损失大。由于水泵的出流量是恒定的，难以与用户总用水量取得一致，供求不平衡，不是浪费能耗，就是供水量满足不了用户需求，加上部分气体不断掺进管网，窝占了水管的部分或者全部过流截面，成为流体前进的主要障碍，导致水泵对流体所作之功，通过流体本身的能量传递效率，随着管线的延长而超常降低，使城市不同方位的水压差别很大。不少用户安装管道泵，不仅危及水厂加压泵的安全运行，而且经常造成某段水管“空管气堵”现象，水流在一定时间内难以逾越通过，影响正常供水。“重力流”与“压力流”输水形式窝存的气体在管道内达到一定量的体积时，当管道下游阀门关闭，气体受到来自上游水压恒定不变的作用，体积缩小而压力增大，极易造成爆管。 日常生活中，常见用根软管向外导流容器内的流体，管内的水流现象即称为虹吸现象。工程上应用的常规虹吸管，须先用真空泵抽吸管内的空气，产生负压后，流体依靠大气压强的压力及势能的引力，被压到虹吸管顶端后下落，从出水口处流出，完成了虹吸的全过程。由于真空泵负荷的限制及管道密封欠佳的缘故，大气的压水高度（即虹吸高度）仅限于7米左右。直径大于600毫米以上的常规虹吸管，虹吸高度低于6米，虹吸输水距离只有上百米，部分管内水充盈度小于70%，虹吸管顶端窝存的空气，一旦达到一定的容量，流体即失去连续性，虹吸即行自动断流。所以，给排水工程应用的常规虹吸管，管径较小，输水距离短，运行上很不可靠，经常断流，极少采用，不受重视。 1990年初，经过长期的努力，虹吸的研究及实际应用有了重大突破并达到了前所未有的深度。根据虹吸原理，研制成功一种新型虹吸装置：潜水式真空虹吸装置，其匹配管径从300毫米到3500毫米不等，特殊需要时还可加大，虹吸高度8米，总水头大于沿程水头损失的工程，虹吸输水距离不限；虹吸前不需抽吸管内真空，而是采用一种简便易行、效果可靠的新方法，即能达到管内水充盈度99%以上，不管输水距离多长，随意开关出水口阀门，可任意遥控真空虹吸装置的吸水量。负水头或低水头的长距离给排水工程，可以先提水到高位水池后，然后“真空管道高速输水”引水，将“压力流”输水距离尽量缩短，也就是把水泵作用于流体的机械能先转变成位差势能，使水泵的工作效率、扬程及流量在一定输水距离内，始终处于最佳运行状态，发挥最大的效益。余下输水管路则由“真空管道高速输水”的单泵单管取而代之。特别是超大管径的输水工程，不但可以增加整条管路的水充盈度，变有旋流为无旋流，降低沿程水头损失，使势能转变成动能的效率提高，流速加快，出水流量加大，促使整个工程的总效益提高。工程实施中又能减少排气阀设置数量及缩小设计管径，减少途中加压泵站数量及其它辅助设施，降低工程总投资。潜水式真空虹吸装置的构造有别于现有的任何水泵，其吸水处由排列规范的液压缸组成流体整流器，液压缸的的数量与结构是由总吸水量及输水水质所决定。潜水式真空虹吸泵运行时，无需外来的动力，吸水运行时，接在管进水口处，潜水运行。吸水时，液面异常平静、无涡流出现，进入管内的水流不掺气，管内水充盈度高达99%以上，流体均匀受到大气压强及位差势能“一压一拉”的同时作用，并以99%以上的高效率将大气压强、势能转换成水的动能，真空虹吸装置因设计超越常规，自身磨擦阻力极小，充分利用大气压自身具备的压力与过水截面积同倍增长的有利条件及工程水头作为动力，装置的内摩擦阻力极小，输水过程中，不进气、流速快、管中不窝气、沿程水头损失最小。根据真空管道列车以接近飞机飞行速度的工作原理，在输水管（网）局部产生像真空管道列车高速行驶所必须的高真空，流体将以更高的流速前进，输水工程的效率将在原来的基础上大幅度提高，也就是将成套真空虹吸装置“嫁接”到相同管径的“重力流”输配水工程上（如图），使两种输水形式同时并存，我们可以随意运行其中一种输水形式、同时关闭另一输水形式，或者两种输水形式并行运行。我们从中可以看出，“压力流”与“重力流”两种输水形式，均处于大于大气压强状态下的运动，而“真空输水”形式的局部管道却处于小于大气压强状态下的运动，并影响整个管网的水压，出现截然不同的“正”、“负”压状态的输水形式。在同等条件下，在不增加动力，不改变工程的任何现状，原先无论是经过计算或实践证明的工程管道输水摩擦阻力（总水头损失），缩小到原来的50%30%。真空输水装置所形成的水流，其流速要比“压力流”与“重力流”及常规虹吸管增加20%以上，出水流量可增加20%40%以上，管内压力反而下降15%，总水头损失减少50%99%，节能15-20%，节省工程投资10-15%，而且在防止爆管、管道锈蚀、均衡管压等诸多方面能发挥意料之外的神奇作用。若不考虑其它因素，其水压与“压力流”恰巧相反：始端压力小，远离始端、位差大的压力大，流体连续性好。更令人惊奇的是，原来需要二次水泵加压才能到水的地区，如今直接到水，而且流量比先前二次加压时更大！是国际上最先进的配水装置，其最大匹配水管直径3米，管内水充盈度达99%以上，具有自动排气、整流、减阻能力。经实践与试验表明，其流况属“稳流”状态。这种有别于“压力流”与“重力流”，就是管输中的第三种输水形式：真空管道高速输水。真空管道高速输水系列成套设备自身运行不耗用任何动力，最大输水管直径3.5米，可进行上百公里或更远距离的输水，输水管局部可跨越比水源高8米的障碍物而无需任何动力。在实际工程应用表明，由于不受匹配管径及输水距离的限制，已经迈上了大中型给排水工程的舞台，尤其适合长距离给排水工程及城镇自来水配水工程。原先研究真空虹吸装置的本意，只是为了解决诸如跨大坝、溢洪道的水库应急溢洪及引水灌溉、水库枯水期虹吸死库容死水、虹吸水库淤积泥沙、替代各式水利工程闸门的应急运行并抽吸泥沙、地下水真空回灌等工程的节能问题。为了使虹吸高度在管径增大的情况下保持不变，我们改善了“真空管道高速输水形式”的管内水充盈度，因为真空管道高速输水系列成套设备本身具备自动驱除管网中窝存的大大小小的气泡，同时杜绝微小气体从水源处重新进入管网。充盈度的提高无形中加大了作用于流体的力转化为动能的效率，流速也随之增加，且大气压强与势能相当均匀地作用于整个流场中的流体。其时，流体的体积膨胀系数最小，流态处于较为理想的“稳流”状态。 可以看出，管道进水处是否产生涡流、掺气，管内水充盈度的高低、以及流体受力状况，是决定流体流态的三个决定性因素，“真空管道高速输水”形式在上述因素中，与“压力流”“重力流”有着明显的区别。所以，将“真空管道高速输水”形式应用在大中型给排水工程，尤其是长距离给排水或城市配水工程上，既提高了总出水流量，又延长了水管的使用寿命，优势是显而易见的。 工业发达国家从节能的观点出发，并随着供水网络的不断扩展与跨流域引水工程输水距离的不断延长，已趋向于采用流体自上而下的自然重力流，水源厂选址有向高处发展的趋向，也就是用重力流替代压力流输水形式。 对于长距离给、排、配水工程，由于重力流输水形式优于压力流，而真空管道高速输水形式输水效率又明显高于重力流，这就给“真空输水”形式的应用有后来居上的发展机会。 低水头的长距离给排水工程，可以先提水到高位水池后，然后“真空输水”形式引水，将“压力流”输水距离尽量缩短，也就是把水泵作用于流体的机械能先转变成位差势能，使水泵的工作效率、扬程及流量在一定输水距离内，始终处于最佳运行状态，发挥最大的效益。余下输水管路则由“真空输水”的单泵单管取而代之。特别是超大管径的输水工程，不但可以增加整条管路的水充盈度，变有旋流为无旋流，降低沿程水头损失，使势能转变成动能的效率提高，流速加快，出水流量加大，促使整个工程的总效益提高。工程实施中又能减少排气阀设置数量及缩小设计管径，减少途中加压泵站数量及其它辅助设施，降低工程总投资。高水头引水工程，取水头部水源液面若比堤坝低8米以内，采用“真空输水”形式引水，整个工程运行可不耗任何动力，管路可根据地形起伏铺设，减少工程土方量。城镇自来水工程采用“真空高速输水”形式配水，用户用水量大，真空虹吸泵的吸水量就大，供求量始终自动保持平衡。配水管（网）中出现“空管断流”现象比“压力流”与“重力流”降低85%以上，流体连续性好。用户私装使用管道泵，对于“压力流”配水工程，会使管道出现“气阻空管”现象，水流不畅，易造成爆管；而对于“真空输水”配水形式，不但不影响管网正常输水及其它用水，由于势能增加，反而会提高真空虹吸泵的总吸水量及水厂总配水量。我们以一配水工程的实际应用进一步阐明几个具体问题，某城市高位清水池的液面标高为243米，城区中一座高层建筑顶层标高235，采用“重力流”配水，自来水只能上到215米的第11层，按照通常的分析与解释：1、该楼与高位水池距离9公里，其沿程水头损失与局部水头损失等于或大于两处标高数值之差，；2、9公里长的主管道并联不少的支管，连接着千家万户，大家都在用水，水压自然下降，城区高层楼房水上不去是很正常的；3、主管或支管的管径偏小，水头损失大；城市郊区有一部队驻地，距水厂18公里，支管直径100毫米，供水管道的中途必须二次加压，自来水才能供到部队驻地；该城市以上两处出现的情况普遍存在，不是个别现象，但很有代表性，在给水系统被称为“最不利点”。当“重力流”改用“真空输水形式”配水后四小时，在用水高峰期，自来水轻易地上到顶层，观其出流压力，有把握再上一层楼；距水厂18公里的部队驻地，中途就再不需二次加压，自来水直达驻地，并且观察到“真空输水”将原“重力流”长期淤存在管道内的淤泥从各出水口驱除出来的难得现象。需要特别指出的是，管网中窝存的气泡体积达到一定临界值时，完全可以阻断“重力流”运行，出现“水不往最