氣水沖洗技術(shù)在北京市自來水管網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用

1、    氣水沖洗技術(shù)在北京市自來水管網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用    何金勝+鄭少博+肖健摘要：氣水沖洗技術(shù)基于“二相流”理論，通過向給水管道內(nèi)間歇地加入壓縮空氣，提高管內(nèi)沖洗水流速度，增強管內(nèi)水體紊動及管道震動，從而提高沖洗效果。文章通過介紹氣水沖洗技術(shù)的理論和工藝機理、工藝系統(tǒng)和工藝特點，對其應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，然后對應(yīng)用效果和應(yīng)用前景進(jìn)行探討，以期為自來水管網(wǎng)建設(shè)項目提供借鑒。關(guān)鍵詞：氣水沖洗技術(shù)；壓縮空氣；自來水管網(wǎng)建設(shè)；水流速度 ：a：tu687 ：1009-2374（2017）06-0165-02 doi：10.13535/ki.11-4406/n.201

2、7.06.083新建自來水管道并入管網(wǎng)前需要進(jìn)行沖洗、消毒等功能性試驗，其中要使用大量的水進(jìn)行沖洗，才能實現(xiàn)濁度小于1ntu的并網(wǎng)控制指標(biāo)。水流速越高，對管道內(nèi)壁的沖刷效果越好。給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范中規(guī)定的最小沖洗流速為1m/s。實踐中，城市管網(wǎng)邊緣管道沖洗時或“小管沖大管”時，由于始端流量小，沖洗時無法滿足規(guī)定流速；當(dāng)一次沖洗管段較長時，水頭損失過大，管道末端無法滿足規(guī)定流速；穿越特殊障礙的倒虹吸管段，用常規(guī)的“水力沖洗法”很難將沉積于底部的砂石推出；城市核心區(qū)域管道沖洗時，流速為12m/s，雖可滿足規(guī)定，但是沖洗用時長、耗水量大。對于北京這樣一個對水質(zhì)要求高又嚴(yán)重缺水的大都市，提

3、高沖洗效果，節(jié)約用水是城市可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略課題。北京市自來水集團(tuán)與哈爾濱工業(yè)大學(xué)合作研發(fā)出氣水沖洗技術(shù)，提供了一種解決方案。1 氣水沖洗技術(shù)簡介1.1 理論基礎(chǔ)（1）氣水沖洗技術(shù)是基于“水平管二相流”理論，通過將一定壓力與流量的壓縮空氣按照一定頻率間歇地壓入沖洗管道內(nèi)，使管道內(nèi)形成“段塞流”，“段塞流”對去除管壁的附著物和管道內(nèi)的沉積物起主要作用；（2）三相流理論：水、氣、渣三相混合，增大流體質(zhì)量，共同作用于管壁；（3）脈沖理論：能量驟聚驟放；（4）局部水擊理論：在氣水混合條件下，利用空氣的可壓縮性，使管道中的水流速度發(fā)生變化，形成局部水擊。1.2 工藝機理壓縮空氣進(jìn)入管道后會產(chǎn)生四種作用效果

4、：（1）在壓縮空氣產(chǎn)生的脈沖壓力波作用下，段塞體的流速被逐漸提高；（2）壓縮空氣與水流混合，產(chǎn)生強烈的紊動；（3）脈沖壓力波的沖擊下，管道會產(chǎn)生震動；（4）脈動壓力變化又使管道產(chǎn)生“擴張收縮”交替的彈性變形。在第（1）、（2）種作用下會使水流與管壁間的切應(yīng)力增大，從而提高對管道的沖刷效果；在第（3）、（4）種作用下會使管內(nèi)附著、沉積物被剝離后隨沖洗水流走，提高了沖洗效果。由于氣水沖洗技術(shù)可以產(chǎn)生以上作用效果，所以該技術(shù)既可用于新建管道并網(wǎng)沖洗，又可用于在役管道去除“生長環(huán)”（即“老管”、“除垢”）的沖洗。1.3 工藝系統(tǒng)氣水沖洗工藝系統(tǒng)由空壓機、儲氣罐、脈沖發(fā)生器、流態(tài)控制儀、進(jìn)氣通道、消能箱

5、等設(shè)備組成，如圖1所示?？諌簷C、儲氣罐的作用是穩(wěn)定地提供滿足壓力、體積需要的壓縮空氣；脈沖發(fā)生器、流態(tài)控制儀、進(jìn)氣通道的作用是控制進(jìn)入管道的壓縮空氣脈沖頻率與通道數(shù)量；消能箱的作用是減緩出水流速、避免沖壞排水設(shè)施。1.4 工藝特點（1）水連續(xù)地進(jìn)入管道，沖洗過程中不關(guān)閘切斷水流；（2）壓縮空氣的壓力、流量與水壓、水流量相匹配；（3）用計算機控制進(jìn)氣；（4）采用信息反饋式操作，即通過觀察出水口流態(tài)及檢測出水濁度，動態(tài)調(diào)整沖洗控制參數(shù)。其中以出現(xiàn)高速段塞體作為流態(tài)控制指標(biāo)；根據(jù)時間-濁度曲線中顯示的濁度變化趨勢作為濁度控制指標(biāo)。2 應(yīng)用現(xiàn)狀2.1 應(yīng)用范圍在北京市，氣水沖洗技術(shù)目前主要運用于dn6

6、00口徑以上的新建配水管道并網(wǎng)沖洗及在役無內(nèi)襯鋼管的水質(zhì)消隱中。2.2 設(shè)備選型大口徑管道氣水沖洗需要具備排氣量大、壓力穩(wěn)定、環(huán)保等特點的空壓機及儲氣罐。北京市自來水集團(tuán)擁有多臺阿特拉斯科普柯xams1150cd7型空氣機，其排氣量為32m3/min、額定工作壓力8.6bar；并擁有與之配套的10m3儲氣罐?？梢酝瓿蒬n1400以下管道的沖洗。2.3 參數(shù)設(shè)定通過對理論計算及試驗后的結(jié)果進(jìn)行分析認(rèn)為：采用始端進(jìn)氣時，一次沖洗管段長度應(yīng)在5km以內(nèi)；當(dāng)一次沖洗長度大于5km時，在管段中間增加進(jìn)氣點。進(jìn)氣點確定后，依據(jù)來水管道口徑、壓力、沖洗管道口徑、沖洗管段的縱斷位置等條件，計算確定進(jìn)水量、進(jìn)氣

7、通道的數(shù)量、進(jìn)氣壓力等初始沖洗參數(shù)。2.4 作業(yè)方法（1）在距離進(jìn)水閘下游5d10d處的管道上，開設(shè)三通，安裝進(jìn)氣盤及進(jìn)氣立管。三通的大小應(yīng)能容納下所有進(jìn)氣立管；（2）臨時放水管線直徑不應(yīng)小于0.5倍的沖洗管道直徑，下游市政排水管道的直徑不宜小于2倍沖洗管道直徑。臨時放水管線及消能箱應(yīng)墊穩(wěn)，沖洗時用挖掘機等機械按壓住；（3）管道串水時，將沿線的排氣閥全部開啟放氣，待管道充滿水后再關(guān)閉排氣閥；（4）按初始沖洗參數(shù)及經(jīng)驗配氣方案進(jìn)氣。根據(jù)出水口的流態(tài)及濁度的信息反饋，動態(tài)調(diào)整進(jìn)水量、進(jìn)氣量、進(jìn)氣壓力等沖洗參數(shù)及配氣方案；（5）待時間-濁度曲線斜率平緩后，即現(xiàn)場實測沖洗水的濁度<10ntu后，

8、逐步減小進(jìn)水量、進(jìn)氣量，直至濁度<1ntu；（6）當(dāng)濁度基本達(dá)標(biāo)后，停止進(jìn)氣，變氣水沖洗為水力沖洗。2.5 案例一某新建給水管道位于北京市城市管網(wǎng)邊緣，管道口徑為dn800，管段長度為2130m，全線有2處約7m深的“倒虹吸”段，沖洗來水管道口徑僅為dn200。由于來水水量太小，無法用常規(guī)的水力沖洗法完成沖洗，只能利用氣水沖洗技術(shù)，對管道內(nèi)“泡管”水體進(jìn)行加速來完成沖洗工作。沖洗參數(shù)：dn200進(jìn)水閘門全開、11個進(jìn)氣通道、進(jìn)氣壓力0.6mpa。經(jīng)過約3.5h的氣水沖洗，水質(zhì)達(dá)標(biāo)，總用水量約1500m3。 2.6 案例二北京市市郊某大型企業(yè)內(nèi)部給水管道，建成于1980年，管道口徑dn40

9、0，管段長度約9.2km，為無內(nèi)襯鋼管，停運8年后因企業(yè)生產(chǎn)需要再次啟用。此時，管內(nèi)“生長環(huán)”厚達(dá)100mm，其最外層為黑褐色絮狀附著物。管道沖洗的目的是去除管內(nèi)“生長環(huán)”，保證后續(xù)安全供水。因一次沖洗管段長度達(dá)9.2km，故于起點及管段中間位置，分別設(shè)置進(jìn)氣點。沖洗參數(shù)：dn400進(jìn)水閘門全開、3個進(jìn)氣通道、進(jìn)氣壓力0.7mpa。經(jīng)過累計約15h的氣水沖洗，水質(zhì)達(dá)標(biāo)，總用水量約5000m3。3 應(yīng)用效果（1）水流速度快，能保證管道沖洗質(zhì)量；（2）節(jié)水效果明顯。經(jīng)統(tǒng)計，節(jié)水率約為55%；（3）在水量、水壓不足的情況下也能完成管道沖洗，可以實現(xiàn)“小管沖大管”；（4）可沖洗復(fù)雜管路，如較大的倒虹吸

10、管段；（5）既能用于新建管道并網(wǎng)前沖洗，又能用于在役管道沖洗，去除管道的“生長環(huán)”；（6）可根據(jù)出水流態(tài)及水質(zhì)情況，對加氣壓力、加氣量進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。4 應(yīng)用前景4.1 節(jié)約可飲用清潔水資源以2015年為例，北京市區(qū)給水管網(wǎng)沖洗耗水量約為1300萬m3，按節(jié)約60%保守估計，則可節(jié)約水資源780萬m3，相當(dāng)于北京市34天的用水量，相當(dāng)于約4個昆明湖的水量，每年可節(jié)約近7000萬元的水費。4.2 更加有效地保障管網(wǎng)水質(zhì)在現(xiàn)有運行的管網(wǎng)中，定期、分區(qū)域、有計劃、有步驟地運用該技術(shù)進(jìn)行沖洗，可消除因管道老舊影響水質(zhì)的隱患，保障管網(wǎng)水質(zhì)。（1）為了保證給水管網(wǎng)水質(zhì)，世界上主要發(fā)達(dá)國家，如英國，就制定并執(zhí)

11、行嚴(yán)格的沖洗制度，并取得了非常好的效果；（2）針對管網(wǎng)中易發(fā)生水質(zhì)事故的區(qū)域，重點進(jìn)行有針對性的、“手術(shù)刀”式的定點沖洗，可大大消除水質(zhì)事故隱患。4.3 更加有效地保障用戶水質(zhì)為了擴大水質(zhì)保障的范圍和深度，可對現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行深度優(yōu)化，研發(fā)更為小型、便攜的設(shè)備，將水質(zhì)保障的范圍延伸至成片的老舊小區(qū)、老城區(qū)內(nèi)的胡同以及居民樓里的給水立管，最大限度地保障接近用戶的“最后1km”管網(wǎng)中水質(zhì)，使合格的自來水最終抵達(dá)千家萬戶的家中。4.4 更加有效地保障重點地區(qū)、重點用戶的水質(zhì)北京作為全國的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，黨和國家領(lǐng)導(dǎo)機構(gòu)的辦公常駐地以及每年在此舉辦數(shù)目眾多的重大活動，對水質(zhì)保障提出了更為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。這就要求在正常用戶的沖洗周期基礎(chǔ)上，加大沖洗的頻次，必能更加有效地保障重點地區(qū)、重點用戶的水質(zhì)。5 結(jié)語綜上所述，氣水沖洗技術(shù)的核心是通過間歇性向管道加入壓縮空氣，產(chǎn)生脈沖壓力波提高沖洗水