武理工城市污水處理工程講義07污水處理工程中的水力計算

第七章污水處理工程中的水力計算管渠水力計算管渠水力計算的目的在污水的輸送、處理過程中，常常會用到管道或渠道，根據(jù)污水的流量和輸送時要求管道造價，運營費用等因素確定管道的直徑、渠道的斷面面積，同時計算出污水流經(jīng)管渠的水頭損失，即是管渠水力計算的目的。計算公式常用的公式有流量公式：)流速公式：式中：為流量(為過水?dāng)嗝婷娣e(為流速(為水力半徑(為水力坡度；為謝才系數(shù)。謝才系數(shù)值一般按曼寧公式來計算式中：為管壁粗糙系數(shù)，該值根據(jù)管渠材料而定，見表表排水管渠管壁粗糙系數(shù)表堰流計算堰是一種流量計量工具，在污水處理工程中，常采用的堰有薄壁三角堰及平頂堰(寬頂堰)。在水處理構(gòu)筑物中，出流堰還具有控制出水流量和出水水質(zhì)穩(wěn)定的作用。堰的使用和計算因用途、堰上水深不同而不同。三角堰堰的缺口為三角形的稱為三角堰，當(dāng)所需測量的流量較小時(例如，采用三角堰，可減少測量所帶來誤差。式中：為水頭(為流量(當(dāng)時，其流量公式為 (測量時，應(yīng)在堰口上游處進(jìn)行)寬頂堰當(dāng)堰頂水平且厚度時。在進(jìn)口處形成水面跌落，堰頂范圍內(nèi)產(chǎn)生一當(dāng)堰頂水平且厚度流線近似平行堰頂?shù)臐u變流動，這種堰流稱為寬頂堰流。寬頂堰流分為有底坎和無底坎兩種情況，當(dāng)河渠水流經(jīng)閘、橋涵等建筑物時，可按無底坎的寬頂堰流處理。另外，寬頂堰流還分為自由出流和淹沒出流。自由流寬項堰流(見圖基本公式式中：為流量(為堰頂寬度(為包括行近流速的堰前水頭，即為行近流速(為自由溢流的流量系數(shù)，它與堰型、堰高等邊界條件有關(guān)，即圖為側(cè)收縮系數(shù)。流態(tài)判別界限：為從堰頂起算的下游水深；為從堰頂起算的上游水深。有底坎寬頂堰的流量系數(shù)。不同的進(jìn)口堰頭形狀，其流量系數(shù)有不同數(shù)值。進(jìn)口邊緣為直角時，見圖，見圖圖當(dāng)時)斜坡式進(jìn)口(見圖和斜角式進(jìn)口(見圖的流量系數(shù)可按表選取。和斜坡進(jìn)口圖表斜角進(jìn)口圖上游斜坡式進(jìn)口流量系數(shù)無底坎寬頂堰的流量系數(shù)分為四種情況表上游有斜角式進(jìn)口的流系數(shù)直角形翼墻(見圖及表流量系數(shù))八字形翼墻(見圖、表直角翼墻圖表直角形翼墻進(jìn)口的平底寬頂堰流系數(shù)表八字形翼墻進(jìn)口的平底寬頂堰流系數(shù)圓弧形翼墻(見圖)斜角形翼墻(見圖圖表圓弧形翼墻進(jìn)口的平底寬頂堰流系數(shù)表斜角形翼墻進(jìn)口的平底寬頂堰流系數(shù)多孔閘流量系數(shù)的計算。對于多孔閘，其水流狀態(tài)除受邊墩影響外，還受中墩的影響，因而要綜合考慮邊墩和中墩對溢流能力的作用，其計算方法如下：若用表直接計算流量系數(shù)，則側(cè)收縮系數(shù)不再計算，綜合流量系數(shù)為：式中：為閘孔數(shù)：為中孔的流量系數(shù)，將中墩的一半看成邊墩，如圖所示，再按墩形查表，表中用)代；)代替(為邊墩邊線與上游河渠水邊線的距離)。圖)側(cè)收縮系數(shù)。由于閘墩(包括翼墻、邊墩和中墩)對水流的影響，使溢流堰進(jìn)口水流發(fā)生橫向收縮，增加了局部能量損失，從而影響溢流能力。這種影響以側(cè)收縮系數(shù)來反映，目前，計算有坎寬頂堰流側(cè)收縮系數(shù)計算式中：為上游堰高(為堰前水頭(為兩墩間凈寬(為上游引渠寬，對于梯形斷面近似用一半深處的渠道寬(為系數(shù)，閘墩(或邊墩)墩頭為矩形，寬頂堰進(jìn)口邊緣為直角時，；閘墩(或邊墩)墩頭為曲線形，寬頂堰進(jìn)口邊緣為直角或圓弧時，上式的應(yīng)用條件為：當(dāng)時，用計算；當(dāng)時，用計算。無底坎寬頂堰側(cè)收縮系數(shù)。對于無底坎寬頂堰邊墩側(cè)收縮對溢流能力的影響已包含在流量系數(shù)中，需單獨淹沒式寬項堰流計算公式當(dāng)出現(xiàn)淹沒堰流時，堰的溢流能力將有所減小，淹沒對溢流能力的影響用淹沒系數(shù)程度即的比值)有關(guān)，是從堰頂起算的下游水位，是包括行近流速水頭的堰前水頭，與的關(guān)系值，可查表表)側(cè)收縮系數(shù)表側(cè)收縮系數(shù)表寬頂堰淹沒系數(shù)表處理構(gòu)筑物中集配水渠道的水力計算在污水處理工程中，為配合各處理構(gòu)筑物的正常運行，需要修建一些集水、配水渠道以及集配水設(shè)備，它們的水頭損失主要包括局部水頭損失。這些設(shè)備的種類有多種，但損失主要包括堰流損失、進(jìn)口損失及出口損失。堰流損失)式中：為堰流局部水頭損失()進(jìn)口損失為堰前水頭(為跌落水頭(式中：為局部水頭損失(為局部阻力系數(shù)；為水流流速(為重力加速度對于不同的連接方式，局部阻力系數(shù)也不盡相同。見圖圖局部阻力系數(shù)出口損失式中符號同前。沉淀池整流配水花墻計算在沉淀池入口處設(shè)置多孔整流墻，使污水均勻分布，有孔整流墻上的開孔總面積為池橫斷面積的，污水流經(jīng)整流配水花墻會產(chǎn)生水頭損失。假設(shè)設(shè)計流量為，沉淀池橫斷面為，有孔整流墻的開孔率，則孔內(nèi)流速為那么整流配水花墻水頭損失為 () ()式中：為局部水頭損失(為孔口收縮值，在間取值；為孔的個數(shù)；為局部阻力系數(shù)；為孔內(nèi)流速(為重力加速度(污水廠高程流程中水力計算為了使污水和污泥能在各處理構(gòu)筑物之間通暢流動，以保證處理廠正常運行，必須進(jìn)行高程布置，以確保各處理構(gòu)筑物、泵房以及各連接管渠的高程，同時計算決定各部分水面標(biāo)高。，要留有充分的余地，以使實際運行時能有一定的靈活性。水力計算常以接受處理后污水水體的最高水位作為起點，逆污水流程向上倒推計算，以使處理后的污水在洪水季節(jié)也能自流排出，而水泵需要的揚程則較小，運行費用也較低。但同時應(yīng)考慮土方平衡，并考慮有利排水。污水廠污水的水頭損失主要包括：水流經(jīng)過各處理構(gòu)筑物的水頭損失；水流經(jīng)過連接前后兩構(gòu)筑物的管渠的水頭損失，包括沿程損失與局部損失；水流經(jīng)過量水設(shè)備的損失。污水高程水力計算各處理構(gòu)筑物的水頭損失格柵水頭損失：)式中：為局部阻力系數(shù)；為格柵斷面形狀系數(shù)；為格柵厚度(為格柵凈間距(為柵格傾角；為柵格上流側(cè)的平均流速(集水槽水頭損失。式中：為集水槽設(shè)計流量，為確保安全常對設(shè)計流量乘以的安全系數(shù)(為集水槽寬(為集水槽起端水深(，則集水槽水頭損失為式中：為集水槽水頭損失(為堰上水頭(為自由跌落水頭(為集水槽起端水深((見圖進(jìn)口損失，參見公式()出口損失，參見公式 ()消毒池水頭損失。消毒池內(nèi)水頭損失包括沿程水頭損失及彎管水頭損失，其計算水頭公式可采用式中：為總水頭損失(為隔板轉(zhuǎn)彎處的局部阻力系數(shù)，往復(fù)式隔板取，回轉(zhuǎn)式隔板取與轉(zhuǎn)彎角度有關(guān))為水流轉(zhuǎn)彎次數(shù)；為該段廊道總長度為謝才系數(shù)，其值計算見公式(為該廊道過水?dāng)嗝嫠Π霃?為廊道中水流流速(為轉(zhuǎn)彎處水流流速(連接管渠水頭損失在污水處理工程中，為簡化計算，一般認(rèn)為水流為均勻流。管渠水頭損失主要有沿程水頭損失和局部水頭損失。沿程水頭損失式中：為沿程水頭損失(為管段長(為水力半徑(為管內(nèi)流速為謝才系數(shù)。圖集水槽水頭損失計算示意圖堰上水頭自由跌落；集水槽起端水深；總渠起端水深)局部水頭損失。局部水頭損失主要包括不同管徑的連接處的水頭損失，閘門水頭損失以及彎管的水式中：為局部水頭損失(為局部阻力系數(shù)(可參考相關(guān)“給水排水設(shè)計手冊”第一冊)為管內(nèi)流速(為重力加速度(計量設(shè)備的水頭損失在污水處理廠中，量測總水量的設(shè)備是必不可少的。常見的有巴式計量槽和淹沒式薄壁堰裝置。非淹沒式薄壁堰流量計算可參考節(jié)，巴式計量槽在自由流的條件下按下列公式計算：)式中：為流量(為喉寬(為上游水深(非淹沒式薄壁堰的水頭損失采用公式(，對于巴式計量槽則只考慮跌落水頭。污泥處理流程高程計算在污水處理廠中，經(jīng)沉淀或處理后的污泥經(jīng)污管道流動，所以應(yīng)計算污泥流動中水頭損失，進(jìn)而計算污泥處理流程高程，污泥高程計算順序與污水相同，即從控制性標(biāo)高點開。污泥在管道中水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失。由于目前有關(guān)污泥水力特征研究還不夠，因此污泥管道水力計算主要是采用權(quán)益的經(jīng)驗公式或?qū)嶒炠Y料。污泥的水力特性通常污泥都用管道輸送。污泥的水力特性與含水率有直接關(guān)系，當(dāng)含水率為時，污泥在管道中的水力特性與污水相似；當(dāng)含水率為時，與污水相比水頭損失增加很多；當(dāng)污泥管徑為和時，污泥管道的水頭損失是污水管道的倍。在污泥含水率一定的情況下，污泥中固體的比重越小，則污泥的粘度越大。污泥的粘度與污泥濃度以及揮發(fā)物的含量成正比，與溫度成反比。而它與流速的關(guān)系比較復(fù)雜：當(dāng)污泥在管道內(nèi)以低流速()流動時，處于層流狀態(tài)，污泥粘度大，流動阻力比水大；當(dāng)流速增至以上時，處于紊流狀態(tài)，流動阻力比水小。在設(shè)計輸泥管道時，應(yīng)采用較大流速，使污泥處于紊流狀態(tài)。污泥管道水力計算重力輸泥管道。設(shè)計坡度采用壓力流管道。根據(jù)污泥含水率以及管徑的不同，一般采用如表的最小設(shè)計流速：表壓力輸泥管道最小設(shè)計流速當(dāng)污泥在紊流流動時沿程水頭損失按下式計算：，見表表污泥濃度與值的關(guān)系污泥管道的局部水頭損失用下式計算：式中：為局部水頭損失(為局部阻力系數(shù)，見表表各種管件局部阻力系數(shù)表各種閥門的局部阻力系數(shù)【例】已知初次沉淀池污泥含水率為，污泥管徑，輸送距離，管內(nèi)污泥流速污泥提升設(shè)備污泥提升應(yīng)根據(jù)污泥種類不同，選擇不同的泵型。各種污泥應(yīng)用的提升設(shè)備見表另外，污泥倒虹吸管水頭損失采用下列公式：表污泥泵的選擇式中：為倒虹吸管水頭損失(為倒虹吸管沿程水頭損失(為所有管件的局部阻力系數(shù)之和；為管內(nèi)流速(為安全系數(shù)，一般為污泥管道的水頭損失也可按清水計算，乘以比例系數(shù)。這種方法最為簡便，按照污泥選定管徑，設(shè)計流速一般為，當(dāng)污泥管道較長時，為了不使水頭損失過大，一般采用，污泥含水率大于時，其污泥流速均大于臨界流速，污泥管道的水頭損失可定為清水的倍。污水提升泵房一般規(guī)定泵房形式泵房形式根據(jù)不同條件確定，見表常用引水設(shè)備非自灌式泵房，常用引水設(shè)備見表表泵站形式續(xù)表表引水設(shè)備格柵格柵攔截雨水，生活污水和工業(yè)污水中較大的漂浮物及雜質(zhì)，小型泵站多采用人工清除，大中型泵站，采用機(jī)械清除，一般規(guī)定見第章集水池最小容積：污水泵房集水池的最小容積，不應(yīng)小于最大一臺水泵的出水量。污水泵房集水池宜設(shè)沖洗和清泥設(shè)施。集水池的布置：應(yīng)考慮改善水泵吸水管的水力條件，減少滯流或渦流。機(jī)器間機(jī)器間尺寸見表表機(jī)器間平面尺寸及高度)起重設(shè)備。根據(jù)泵站的大小和設(shè)備的重量確定。門、過道及孔洞等可能用于設(shè)備出入的地方，要有必要的寬度及凈空，為使吊車正常運轉(zhuǎn)，必須避開與出水管、閘閥、支架、平臺、走廊等的矛盾。起重設(shè)備的選擇，見表表起重設(shè)備選擇)地面排水。干式水泵間室內(nèi)地面作成的坡度，傾向排水溝成集水坑，集水坑直徑)通風(fēng)及防潮。)通風(fēng)。夏季室內(nèi)溫度應(yīng)不超過，自然通風(fēng)不能滿足時應(yīng)采用機(jī)器通風(fēng)。自然通風(fēng)除開窗外可設(shè)一高一低拔風(fēng)筒，由地下部分通向室外。機(jī)器通風(fēng)采用通風(fēng)機(jī)可安在室外，若選用排風(fēng)扇則可設(shè)在窗子的高處。排氣量計算公式：式中：為換氣次數(shù)(一般不大于風(fēng)壓計算公式：次／為泵房容積(式中為沿程損失；為局部損失。式中為風(fēng)管長度；為每米風(fēng)管的沿程損失。式中為局部阻力系數(shù)；為泵房外空氣容量為管內(nèi)風(fēng)速(為重力加速度)防潮：為防止由于降雨所產(chǎn)生的濕氣或室內(nèi)外溫差引起的室內(nèi)結(jié)露，在周圍環(huán)境度高于時，電機(jī)因受潮而不能運轉(zhuǎn)，一般可采用電加熱器，或吸濕劑，使停止工作的電機(jī)不致受潮。電動機(jī)防潮計算。例如停止工作的電機(jī)是，相對濕度的不利條件下，求電動機(jī)內(nèi)部需升溫多少才能降低濕度至以下。計算公式及步驟：蒸汽壓。，故(合絕對壓力)時，查表得溫度為，故電動機(jī)內(nèi)部比周圍環(huán)境的溫度高℃即可使絕緣附近的相對濕度降低至以下。加熱器容量計算；加熱器的容量決定于電動機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸：式中：為表面散熱系數(shù)[為電動機(jī)表面散熱面積為電動機(jī)殼溫度(為電動機(jī)周圍空氣溫度()。一般涂過漆的鑄鐵表面散熱系數(shù))，如果考慮到風(fēng)速影響時，則表面散熱系數(shù)為)加熱器的形狀和材料：根據(jù)使用要求可選用抽屜式空氣電加熱器，或外表呈形電加熱器，一般用無縫鋼管作外殼，管內(nèi)設(shè)置螺旋形的鎳鉻合金電阻線，在電阻線與管壁空隙部分充填氧化鎂作鋼管與電阻線的絕緣介質(zhì)。電阻線兩端從管內(nèi)引出連接電源。)吸濕劑去濕：利用吸濕性較強(qiáng)的生石灰、硅膠木炭、氧化鈣、活性氧化鋁等固體吸附劑或氧化鋰吸濕后，使空氣很干燥，而且吸濕劑能再生重復(fù)使用。衛(wèi)生設(shè)備應(yīng)就近設(shè)洗手盆或拖布池、水龍頭，并備有沖洗地面用的橡膠軟管。水泵)常用水泵。常用水泵見表表水泵形式適用條件軸功率計算：水泵軸功率公式為式中：為水的容重為水泵的輸水量(為水泵的總揚程(為水泵的總效率。水泵發(fā)動機(jī)所需之功率公式式中：為發(fā)電機(jī)的超負(fù)荷系數(shù)。水泵工作的特性曲線。水泵的工作點是由水泵的特性曲線與管路的特性曲線相交得出，一般選用效率較高的范圍。管路的特性曲線。水泵總揚程公式式中：為吸水高度和揚水高度之和(為吸水管線和揚水管路的總水頭損失并聯(lián)：在壓力固定，一臺泵不能滿足設(shè)計流量時，可采用相同(或不同)的幾臺泵聯(lián)合工作。水泵并聯(lián)曲線見圖圖相同型號水泵并聯(lián)曲線水泵總揚程(總幾何高差(總水頭損失(。點兩臺水泵并聯(lián)時的工作點；點并聯(lián)時，每臺水泵的工作點；點臺水泵單獨工作時的工作點串聯(lián)：一臺水泵揚程不能達(dá)到設(shè)計要求高度時，可采用同流量的兩臺泵串聯(lián)，工作線見圖在繪制兩臺相同水泵串聯(lián)工作時的合成特性曲線時，要把兩條)特性曲線在同一輸水量(橫坐標(biāo))時的揚程(縱坐標(biāo))加倍，水頭相當(dāng)于壓水管路閘門關(guān)閉時兩臺水泵的串聯(lián)工作。點是在給定的管路特性曲線和揚水高度時，一臺水泵兩臺水泵串聯(lián)的工作狀況，串聯(lián)工作的水圖特性曲線不同的兩臺水泵并聯(lián)點并聯(lián)水泵的極限工作點，給出水泵的合成輸水點；點與點并聯(lián)時，各臺水泵的工作點；點第臺水泵單獨工作時的工作點；點第臺水泵單獨工作時的工作點水泵進(jìn)出水管。圖水泵串聯(lián)時的合成特性曲線泵輸水量為)，它比大些。如果揚水高度加倍，假定為所示也增加了一倍，則水泵將在極限點的情況下工作，其流量為，總水頭等于水泵進(jìn)出水管一般規(guī)定見表表水泵進(jìn)出水管規(guī)定泵站儀表及計量設(shè)備泵站儀表。泵站內(nèi)應(yīng)裝置的控制儀表有以下幾種：自灌式水泵吸水管上安裝真空表；出水壓力管上設(shè)置壓力表；配電設(shè)備儀表有電流表、電壓表、計量表；軸承潤滑儀表：泵采用液體潤滑軸承時，軸承內(nèi)裝置油位指示器。采用軸承循環(huán)潤滑時，裝置壓力表及溫度計。計量設(shè)備。電磁流量計。便，但價格較高。超聲波流量計。超聲波流量計的特點是測量精度高(一般在范圍內(nèi))，水頭損失小，電耗小，但成本較高。文氏管水表。，水頭損失小，準(zhǔn)確度高，一般設(shè)在出水管上，管徑不大于泵站的自動控制自動化控制程度。表各種設(shè)備控制分類控制方式。就地控制：用配電盤操作，一般不大于集中控制：將機(jī)組控制按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)測量儀表與指示信號等，均引至控制臺，集中進(jìn)行操作。遠(yuǎn)距離控制：由控制站對各分散的泵站集中控制。)自動化措施。自動化措施應(yīng)根據(jù)工作性質(zhì)確定，見表表不同功能的自動化措施排水泵站的運行特點序操作。無條件者采用水位控制。雨水泵站：根據(jù)降雨量決定開動泵的臺數(shù)，或根據(jù)出口水位，下游水位增高(漲高)到不能自流時關(guān)閘，啟動水泵。污水泵站設(shè)計計算水泵全揚程水泵全揚程計算公式：式中：為吸水管水頭損失(為出水管水頭損失(為局部阻力系數(shù)；為吸水管流速(為出水管流速(為重力加速度為集水池最低工作水位與所提升最高水位之差；為自由水頭(，按水泵揚程示意圖，見圖圖水泵揚程示意圖水泵啟動方式自灌式：污水泵站為常年運轉(zhuǎn)，采用自灌式較多，啟動及時可靠，管理方便。非自灌式：地下水位較高，泵房滿足自灌式有困難時或能熟練掌握啟動設(shè)備，使水泵及時運行時采用。污水泵站設(shè)計計算例題 [例】自灌式(見圖，已知：圖自灌式污水泵站城市人口人，生活污水量定額為人進(jìn)水管管底高程為，管徑，充滿度出水管提升后的水面高程為，經(jīng)管長至處理構(gòu)筑物；泵站原地面高程為【解】選擇集水池與機(jī)器間合建的圓形泵站，考慮臺水泵臺備用)，每臺水泵的容量為水深采用，則集水池面積為選泵前總揚程估算：經(jīng)過格柵的水頭損失為(估算)。集水池最低工作水位與所提升最高水位之間的高差為((集水池有效水深為出水管管線水頭損失：總出水管：，選用管徑為的鑄鐵管查表得：設(shè)總出水管管中心埋深，局部損失為沿線損失的，則泵站外管線水頭損失為：水管線水平長度豎向長度)泵站內(nèi)的管線水頭損失假設(shè)為，考慮自由水頭為，則水泵總揚程：選用型污水泵，每臺，泵站經(jīng)平剖面布置后，對水泵總揚程進(jìn)行核算。吸水管路水頭損失計算：根據(jù)圖示：直管部分長度，喇叭口。彎頭個(閘門一個(漸縮管(由大到小，沿程損失為局部損失吸水管路水頭總損失為出水管路水頭損失計算：為起點，沿線順序計算水頭損失。段：漸擴(kuò)管個彎頭個閥門局部損失單向閥個個()。段(選管徑，沿程損失局部損失管徑，管徑，直管部分長度沿程損失局部損失段：直管部分長，丁字管個(彎頭個(沿程損失局部損失出水管路水頭總損失：則水泵所需總揚程：故選用型水泵是合適的。非自灌式泵站 ，已知：設(shè)計流量，進(jìn)水管管底標(biāo)高出水管提升后排入灌渠，灌渠距泵房，管渠水面泵房位置不受洪水淹沒，原地面標(biāo)高為)地質(zhì)情況為粘砂土，地下水位為，土壤冰凍深度為圖非自灌式泵站供電為單電源。設(shè)有溢流口，在停電或發(fā)生故障時可溢流至附近排洪溝，溝底標(biāo)高為【解】按進(jìn)水管設(shè)計流量，設(shè)臺水泵(其中臺備用)，每臺水泵的容量為。集水池選用方形，與機(jī)器間分建。集水池容積，采用相當(dāng)于一臺泵的容量有效水深采用，則集水池面積集水池尺寸：寬度采用選泵前總揚程估算：經(jīng)過格柵的水頭損失為集水池最低水位與灌渠水位差為(出水管水頭損失：：，選用管徑的鑄鐵管。出水管水頭損失為：沿程損失局部損失按沿程損失的吸水管水頭損失為沿程損失為局部損