無負壓供水設備管網準用的三個技術條件
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時間：2017-12-11
管網之所以要有限制地準用無負壓設備，是因為該類設備的使用會涉及到管網供應能力、管網運行安全和水質安全等三個方面。所謂準用技術條件，也就是管網對設備接入的技術要求或技術規范，可列出如下三條。在設備性能和使用環境可以滿足這三項要求時允許其接入管網使用。
一、接入管網的增壓給水設備應在管網限定的流量下運轉，不得超量取水。
直接加壓供水，取消了水池、水箱，失去了貯水調峰的中間環節，用水高峰流量直接由管網供給，使管網高時流量和時變化系數增大。勢必要求水廠提高送水壓力以達到管網末端服務壓力。但水廠供水壓力的提高會引起電耗增高、供水成本加大、漏水率上升、管網布局不合理的顯現以及管網運行調度不及時等一系列連鎖反應。在這些懸念性課題尚無定論的時候，只能是在基本上不改變供水現狀和格局的限定條件下擴大直接供水范圍。即：可以先利用當前管網的余裕水頭、冗余的供水能力來擴展直接供水面積，根據管網能力有選擇、有限制地使用該類設備。
以流量為限定條件，用準確的定量界定了供需雙方的權利和義務。當管網壓力低于國家規定的服務壓力而供水不足時責在供方；而用戶方由于設備選用或使用不當而造成超量取水
時應當受限。限定流量的數據可以由供水企業根據用戶用水申請，通過管網平差計算或憑經驗判斷提出。供水驗收時可用簡單的方法和儀器進行檢驗。當然，以管網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，壓力限制條件規定為“使用該設備對自來水管網串接處產生的壓降差應小于0.01至0.02MPa”。但用戶在設計選型時很難知道何以能滿足此條件？在用水驗收時，供方（管網方）以何種方法確認是該套設備的運轉使管網壓降超標，而不是管網上其它用戶或管網自身的問題而造成的？壓力限制法可作為管網計算和確認管網能力時的一種方法，在對供水能力宏觀評價或在計算某供水區域或管段有無條件使用直接抽水設備時是方便的計算方法。但作為對抽水設備的限制條件而提出時，尚需研究其可操性的問題。
流量限定條件具有優先考慮管網能力和管網安全的價值取向，限制超過管網能力的區域或管段使用直接抽水設備；維持一部分水池、水箱的二次加壓供水方式；利用其貯水調峰功能來緩解管網承受的壓力；有待直接供水擴大化的規劃逐步實施時再去滿足該部分用戶的需要。因此不鼓勵為了調峰水量需要而加大進水罐容積，因為當進水流量不足以滿足高峰流量而通過罐內蓄水補充時，罐內會產生負壓，而消除負壓的技術和水罐容積計算方法在目前都難以說是十分成熟的。當然，某些用戶要求在管網斷水時保有一定儲備水量，進水罐的容積也可以很大，但這是為了斷水時維持一段時間連續用水，而不是為了在管網正常運行中起到調峰的作用。流量限定方法，將流量指標作為控制抽水設備運行的條件，控制住設備不超量取水，即使是在水泵失控、出水管斷裂等事故狀態下有進水流量的限制和控制也不可能超量取水。所以可認為該套設備不產生負壓。對于用戶來說，可能會顧慮限量供水會影響壓力、流量而供應不足。但供方（管網方）限定流量之時，就已承諾了可滿足需要的前提，除了管網和設備故障的特殊情況外，正常用水不會受到限制和影響。應該看到，目前很多城市已出現供水產品過剩局面，供水企業已在提高管網壓力擴展市場。因此，“流量限制”已不是計劃經濟時代定量供應的內涵。這里的“流量限制”主要是針對抽水設備的限制，防止設備在產生負壓時超過定量取水而影響管網安全和相鄰用戶的用水安定?？尚蜗蟮乇扔鳛榻o設備裝上一條“限流的保險絲”，防止設備運轉不良或發生故障時殃及管網。當然，經常燒斷保險絲的設備是不可能被管網和用戶接受的。
二、接入管網的增壓給水設備，應具有防止負壓、壓力振蕩及倒流的有效功能。
管道中出現負壓和隨之而來的氣囊、氣阻、壓力振蕩、倒流及水錘等是危及管網安全或產生隱患的重要因素。因此，對直接抽水設備的首要功能要求就是為了保證管網安全而沒有負壓。無負壓功能的實現。
進水管從水罐上部注水入罐。罐頂裝有一個注排氣閥，它具有在滿水時關閉，在罐內產生負壓或水位下降時打開閥門補入大氣的作用，所以也被稱為“真空消除器”“真空補償器”等。該類裝置有浮子、浮球等機械式、有靠電接點真空表或水罐水位接點控制電磁閥啟閉的電動式等方式各異，名稱標新的很多品類。在水罐注滿水時此閥閉緊，此時水罐為承壓的密閉容器，可視為管路上增加了一個有突然放大和突然縮小局部阻力損失的異徑管。罐底連接至水泵進水口，并建立了水泵出水口的靜水頭。
設備運行有如下三種工況：
●管流靜止狀態（水泵停轉時）
Q1=Q2=0
P1=P0=P2
式中Q1-進水管流量
Q2-出水管流量
P1-自來水管網壓力
P0-進水口壓力（P0≈水罐內壓力）
P2-出水管壓力
●管流為連續流狀態（水罐滿水時）
Q1=Q2=用戶使用流量
P0=P1-SQ1?
P2=P0+△H
式中S-進水管路阻力特性系數
△H-水泵作功揚程
此時管流可視為連續性非恒定流。水泵依據用水流量的變化而變速運轉，自動改變揚程P2和流量Q2滿足用水需求。進水管流符合不可壓縮流體穩定流動的連續性方程式特征，故Q1=Q2；進水口壓力P0可疊加到水泵揚程上利用。所疊壓力是隨流量而變的變量而非定量，更不是管網上的壓力P1。在疊壓節能計算和設計選泵時應考慮此數學關系。
●管流分離狀態（水罐接通大氣時）
Q1<Q2
P0≈0
P2=△H
當用水流量增大，水泵升速追隨，致使Q2>Q1，此時由于水罐補水△Q=Q2-Q1，使罐內水位下降，導致管流拉斷，破壞了連續性流態而產生負壓。若罐頂上的注氣閥在負壓生成后可及時打開補入大氣，則使水罐變為了開口容器。這時的進水流量Q1為管網壓力P1和管路阻力特性決定的最大能力流量，是負壓吸水的臨界流量。水泵此時工況為雖無吸程也無疊壓的水池取水方式，出水則是以設定的恒壓控制線控制水泵轉數的傳統變頻供水方式。形成了出水管流與進水管流不相關的連續性流態，向用戶正常供水。
然而在挑剔上述分析之不足時，會發現分析中忽略了重要的兩點：一是忽略了管路中瞬變流動是負壓的重要成因；二是忽略了對負壓生成的瞬間到注氣閥打開的△t時間內過渡過程的描述和分析。
從前面的分析中可以看出，若有進口流量控制使Q1≮Q2，或當管網壓力很高，進水管阻力很小而水泵額定流量較小時，根本就沒有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產生負壓。但在管內壓力突然波動；水泵快速啟動和臺數切換；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產生瞬變流態，使水柱瞬間分離而產生負壓區。這種現象在流體為紊流、流體的慣性力影響很顯著的管道中常有出現。在管路凸點、匯合點、大阻力系數管件側及管壁粗糙、閥門半開等處極易發生，是危害管網安全的大敵。
到某一值（可認為是飽和蒸氣壓力值）時氣體必然要釋放。氣泡析出后會聚積為大氣泡而形
成氣囊，氣囊兩端形成壓差，在進水流欲彌合此氣穴時壓迫氣囊，由于氣體的可壓縮性，在壓力傳遞過程中，猶如一個彈性器件，在壓縮、反彈的運動中引起管道壓力的振蕩，程度嚴重時可導致管網爆管。同時應該注意的是，在高壓振蕩狀態下管路注氣、排氣的過程是相當復雜的，注排氣的可靠性也是較難把握的。在沒有深入研究排氣、注氣的機理和準確計算方法時，裝上一個注氣閥就宣稱“無負壓”，顯然不是科學的態度；對于瞬變流及其過渡過程認識不足，或不能計算出它對管網的沖擊可以有效排除或可忽略不計，就提出一個“無負壓”的結果，也是難以令人信服的。
從示例分析中可以看出，瞬變流是負壓生成的主要原因，防止負壓產生和消除負壓的對策應首先從抑制和消除瞬變流入手。例如：可通過智能化控制方法，使設備運行中不產生流量突變，使管流連續性流態不被破壞，則根本不會產生負壓。一旦控制系統失靈或響應速度不夠時產生了負壓，可在設備水路中采用消除氣囊的技術作為第二重對策。很多在管網和長距離輸水管道上常用的技術，如：有效排氣；；△t時段初壓力罐補水等方法，都可以用于無負壓給水設備上。目前依照這樣思路設計的產品已在一些城市使用，打出了“根本不產生負壓而不是產生后再去消除”招牌的無負壓給水設備已見上市。另外，也可以在進水罐上繼續作文章，如在產生負壓時將水泵出口高壓水引回水罐補水保壓（小流量保壓）；或通過出水旁路管回流調節出水流量Q2等方法，都可以不再依賴注氣閥打開進氣消除負壓，使水罐真正全密閉并保持管流連續。
管網選用的無負壓設備，可以通過對其設計理念、工作原理的分析，通過對外觀、設備構造和所用水泵、管件的品質等項檢查作出初步判斷。但“無負壓功能”的要求作為一項技術條件提出，就應該有具體的技術指標和檢驗方法。否則，設備方提出了“無負壓”的概念或結果，管網方回應以“并未發現負壓”或“該設備使用后對該地區用水未產生影響”等概念性的結論，難免會使得準用條件形同虛設，無法操作。
為了確保管網水的衛生安全，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。國外倒流事故防止技術有發生源防止方法如用戶側的防倒流水拴、防倒流水表等裝置，以及公用管路裝設倒流防止器等。倒流防止器的種類有單式逆止閥、復式逆上閥、氣壓式、液壓式、真空隔斷式等倒流防止閥六七種之多，性能參數也各有不同。我國倒流防止器問世不久，品種單一，產品應用技術的研究也剛剛開始，如何根據不同的用水性質，用
水環境和不同等級的污染源來選用產品，如何維護和管理等問題都是有待深入研究的課題。在此之前還是應該持慎重的態度，禁止醫院、生物、化學等用水類型的用戶使用無負壓給水
設備。另外，倒流防止器水頭損失很大，不僅會加大能耗而且大阻力器件及因此降低管路流
量都是負壓生成和管流振蕩的誘因。因此，開發低損失水頭的防止倒流閥和內藏防倒流功能的無負壓給水設備等新產品，是大有文章可作的。
三、在管網上使用的無負壓給水設備必須符合國家和地方生活飲用水衛生監督管理辦法（條例）及涉水產品安全衛生
