氣水沖洗技術(shù)在北京市自來(lái)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(guò)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(qiáng)管內(nèi)水體紊動(dòng)及管道震動(dòng)，從而提高沖洗效果。文章通過(guò)介紹氣水沖洗技術(shù)的理論和工藝機(jī)理、工藝系統(tǒng)和工藝特點(diǎn)，對(duì)其應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，然后對(duì)應(yīng)用效果和應(yīng)用前景進(jìn)行探討，以期為自來(lái)水管網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目提供借鑒。

關(guān)鍵詞：氣水沖洗技術(shù)；壓縮空氣；自來(lái)水管網(wǎng)建設(shè)；水流速度 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU687 文章編號(hào)：1009-2374（2017）06-0165-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.083

新建自來(lái)水管道并入管網(wǎng)前需要進(jìn)行沖洗、消毒等功能性試驗(yàn)，其中要使用大量的水進(jìn)行沖洗，才能實(shí)現(xiàn)濁度小于1NTU的并網(wǎng)控制指標(biāo)。水流速越高，對(duì)管道內(nèi)壁的沖刷效果越好?！督o水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》中規(guī)定的最小沖洗流速為1m/s。

實(shí)踐中，城市管網(wǎng)邊緣管道沖洗時(shí)或“小管沖大管”時(shí)，由于始端流量小，沖洗時(shí)無(wú)法滿足規(guī)定流速；當(dāng)一次沖洗管段較長(zhǎng)時(shí)，水頭損失過(guò)大，管道末端無(wú)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(shí)，流速為1～2m/s，雖可滿足規(guī)定，但是沖洗用時(shí)長(zhǎng)、耗水量大。

對(duì)于北京這樣一個(gè)對(duì)水質(zhì)要求高又嚴(yán)重缺水的大都市，提高沖洗效果，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(lái)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(jiǎn)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(guò)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(duì)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(jī)理

壓縮空氣進(jìn)入管道后會(huì)產(chǎn)生四種作用效果：（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(qiáng)烈的紊動(dòng)；（3）脈沖壓力波的沖擊下，管道會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)；（4）脈動(dòng)壓力變化又使管道產(chǎn)生“擴(kuò)張—收縮”交替的彈性變形。

在第（1）、（2）種作用下會(huì)使水流與管壁間的切應(yīng)力增大，從而提高對(duì)管道的沖刷效果；在第（3）、（4）種作用下會(huì)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(zhǎng)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(jī)、儲(chǔ)氣罐、脈沖發(fā)生器、流態(tài)控制儀、進(jìn)氣通道、消能箱等設(shè)備組成，如圖1所示?？諌簷C(jī)、儲(chǔ)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(diǎn)

（1）水連續(xù)地進(jìn)入管道，沖洗過(guò)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(jì)算機(jī)控制進(jìn)氣；（4）采用信息反饋式操作，即通過(guò)觀察出水口流態(tài)及檢測(cè)出水濁度，動(dòng)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(shí)間-濁度曲線中顯示的濁度變化趨勢(shì)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(yùn)用于DN600口徑以上的新建配水管道并網(wǎng)沖洗及在役無(wú)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(diǎn)的空壓機(jī)及儲(chǔ)氣罐。北京市自來(lái)水集團(tuán)擁有多臺(tái)阿特拉斯科普柯XAMS1150CD7型空氣機(jī)，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(chǔ)氣罐?？梢酝瓿蒁N1400以下管道的沖洗。

2.3 參數(shù)設(shè)定

通過(guò)對(duì)理論計(jì)算及試驗(yàn)后的結(jié)果進(jìn)行分析認(rèn)為：采用始端進(jìn)氣時(shí)，一次沖洗管段長(zhǎng)度應(yīng)在5km以內(nèi)；當(dāng)一次沖洗長(zhǎng)度大于5km時(shí)，在管段中間增加進(jìn)氣點(diǎn)。進(jìn)氣點(diǎn)確定后，依據(jù)來(lái)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(jì)算確定進(jìn)水量、進(jìn)氣通道的數(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5D～10D處的管道上，開(kāi)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(shí)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(shí)放水管線及消能箱應(yīng)墊穩(wěn)，沖洗時(shí)用挖掘機(jī)等機(jī)械按壓?。唬?）管道串水時(shí)，將沿線的排氣閥全部開(kāi)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(yàn)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(dòng)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(shí)間-濁度曲線斜率平緩后，即現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沖洗水的濁度<10NTU后，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(zhǎng)度為2130m，全線有2處約7m深的“倒虹吸”段，沖洗來(lái)水管道口徑僅為DN200。由于來(lái)水水量太小，無(wú)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(duì)管道內(nèi)“泡管”水體進(jìn)行加速來(lái)完成沖洗工作。沖洗參數(shù)：DN200進(jìn)水閘門全開(kāi)、11個(gè)進(jìn)氣通道、進(jìn)氣壓力0.6MPa。經(jīng)過(guò)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DN400，管段長(zhǎng)度約9.2km，為無(wú)內(nèi)襯鋼管，停運(yùn)8年后因企業(yè)生產(chǎn)需要再次啟用。此時(shí)，管內(nèi)“生長(zhǎng)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(zhǎng)環(huán)”，保證后續(xù)安全供水。因一次沖洗管段長(zhǎng)度達(dá)9.2km，故于起點(diǎn)及管段中間位置，分別設(shè)置進(jìn)氣點(diǎn)。沖洗參數(shù)：DN400進(jìn)水閘門全開(kāi)、3個(gè)進(jìn)氣通道、進(jìn)氣壓力0.7MPa。經(jīng)過(guò)累計(jì)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(jì)，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(shí)現(xiàn)“小管沖大管”；（4）可沖洗復(fù)雜管路，如較大的倒虹吸管段；（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(zhǎng)環(huán)”；（6）可根據(jù)出水流態(tài)及水質(zhì)情況，對(duì)加氣壓力、加氣量進(jìn)行動(dòng)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(wàn)m3，按節(jié)約60%保守估計(jì)，則可節(jié)約水資源780萬(wàn)m3，相當(dāng)于北京市3～4天的用水量，相當(dāng)于約4個(gè)昆明湖的水量，每年可節(jié)約近7000萬(wàn)元的水費(fèi)。

4.2 更加有效地保障管網(wǎng)水質(zhì)

在現(xiàn)有運(yùn)行的管網(wǎng)中，定期、分區(qū)域、有計(jì)劃、有步驟地運(yùn)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(guó)家，如英國(guó)，就制定并執(zhí)行嚴(yán)格的沖洗制度，并取得了非常好的效果；（2）針對(duì)管網(wǎng)中易發(fā)生水質(zhì)事故的區(qū)域，重點(diǎn)進(jìn)行有針對(duì)性的、“手術(shù)刀”式的定點(diǎn)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(kuò)大水質(zhì)保障的范圍和深度，可對(duì)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(lái)水最終抵達(dá)千家萬(wàn)戶的家中。

4.4 更加有效地保障重點(diǎn)地區(qū)、重點(diǎn)用戶的水質(zhì)

北京作為全國(guó)的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)機(jī)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(dòng)，對(duì)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(diǎn)地區(qū)、重點(diǎn)用戶的水質(zhì)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，氣水沖洗技術(shù)的核心是通過(guò)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流速度，從而提升沖刷能力；無(wú)論對(duì)新建管道或在役管道的沖洗，都能產(chǎn)生很好的效果，符合提升水質(zhì)、節(jié)約用水這一北京供水戰(zhàn)略需要。通過(guò)與高校持續(xù)合作，利用其科研優(yōu)勢(shì)，能充分調(diào)動(dòng)北京市自來(lái)水集團(tuán)在設(shè)備、資金、管理上的龐大資源，不斷創(chuàng)造更大的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙洪賓，李欣，趙明.給水管道衛(wèi)生學(xué)[M].北京：中國(guó)工業(yè)建筑出版社，2008.

作者簡(jiǎn)介：何金勝（1982-），北京人，北京市自來(lái)水集團(tuán)禹通市政工程有限公司工程師，研究方向：城市供水技術(shù)。

（責(zé)任編輯：小 燕）