大口径大高差多起伏给水管道气水冲洗工程实践与分析袁文麒郑小明董宪

给水排水　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．９　２０１４８９　　　施工、材料与设备大口径大高差多起伏给水管道气水冲洗工程实践与分析１　２　　３（１上海市水利工程设计研究院有限公司，上海　２０００６１；２中国城镇供水排水协会科学技术委员会，上海　２００１２５；３上海上水自来水特种工程有限公司，上海　２００１２４）　　摘要　针对大口径、大高差、多起伏的给水管道，阐述了气水冲洗管道的原理，分析了水力特点及冲洗控制因素。结合工程实践，介绍了华东Ｓ市ＰＸ公路ＤＮ８００管道气水冲洗工程，并分析了相关冲洗参数、冲洗效果。实践表明，气水冲洗管道是新型的管道冲洗技术，具有管道清洗效率高、冲洗效果好，并可节省大量水资源等优点。关键词　管道气水冲洗　气液两相流　水头损失　工程实践地下给水管网如同巨大的反应器，清水流经管网，由于水流、压力变化，管道内生长环部分脱落，造成给水管网水质的二次污染。《生活饮用水卫生标准》（ＧＢ　５７４９—２００６）［１］对供水水质保障的系统性做出明确规定，将“龙头水”作为水质评价点，对管网的清洁、安全管理提出了更高要求。传统的单相水冲洗管道技术要求较高的水流流速，清洗较大口径管道时，用水量需求很大。随着城镇化建设，大量新建给水管道由于受现状管网拓扑结构、直径等因素限制，传统管道冲洗方法很难满足冲洗流速要求，且耗水量巨大。气水冲洗管道是近几年出现的新型管道冲洗技术。国内科技人员开展了不同口径平直管道的气水冲洗试验与工程实践［２～４］，但是对于大高差、多起伏管道气水冲洗，却鲜见文献报道。气体通入给水管道后，形成气液两相流，其流动复杂于单相水流。在大口径、高低起伏的管道中，其流动更为复杂，气水冲洗管道技术难度更大，要求更高。本文基于华东Ｓ市ＰＸ公路ＤＮ８００管道，针对大口径、大高差、多起伏管道系统进行气水冲洗工程实践与分析。１　气水冲洗原理及水力分析１．１　气水冲洗原理气体通入给水管道后，形成气液两相流。气液两相流是非常复杂的物理过程［５］。根据给水管道气液流态特点分析，在大口径、大高差、多起伏给水管国家水体污染控制与治理科技重大专项（２０１２ＺＸ０７４０３－００２－０５）。道中出现的流型为：分散流、间歇流、分离流［６，７］。气水冲洗管道的工作原理主要有两个方面：①气液两相流动对管内壁清洗作用；②管道气、水间歇加入造成管内流速、压力波动，形成管内瞬变流，清洗管道。管道中气液两相流动，以间歇流流动时，有较为明显的震动和水击现象，管路压力有很大波动，使管内壁的生长环脱落。管道中散气泡流动时，其清洗管壁作用与滤池气、水反冲洗类似，管道内流动的分散气泡产生振动可增强与管壁的剪切力，将管内壁表面污物破碎、脱落达到冲洗效果。气体间歇加入管道，造成管内流速、压力波动，管内气体的可压缩性加剧了波动，形成管内瞬变流，造成水锤。管内压力交替产生压缩和扩张，作用于管内流速，流速的变化又进一步影响管内的压力，压力－速度相互耦合，加剧了波动。波动的增强，增加了流体对管壁的惯性切应力，从而使管道清洗更为彻底。１．２　气水冲洗水力影响气水流动在大口径、大高差、多起伏管道中变化复杂，使气水冲洗难度增大。管道口径增大，对进水、进气要求增加。在进水、进气条件一定的供水条件下，管道内流体流速减小，不利于管道的冲洗效果。下降管段中，管道直径增大，使分离流范围扩大；流体流速减小，使下降管段中气体向下游运动能力减弱。流体流动时，气体与管壁的摩擦系数小于液体９０　　　给水排水　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．９　２０１４与管壁的摩擦系数，因此在水平管道中，气体存在使管道水头损失减小。在下降管段中，由于水流推力、气体浮力的相互作用，气体下降管道中运动缓慢，甚至处于静止状态；由于气体密度远小于液体密度，气体静压远小于液体静压，下降管段所回收的压能不能完全补偿上升管段升举流体所消耗的能量，造成重位压降，从而使管道水头损失急剧增加［７］，这是气体在给水管道中造成水头损失增加的最主要原因。大高差使水头损失增大，在入口及管道条件不变情况下，冲洗难度进一步增大。多起伏管道使气体在下降管段中停留时间增长，管道的重位压降叠加，水头损失进一步增大。最终造成冲洗管道出口流量减小，管道出口气液明显分离，甚至发生断流现象，难以达到气水冲洗效果。根据以上分析，气水冲洗大口径、大高差、多起伏管道，需采取措施改善气液流动条件，使气水冲洗高效进行。１．３　气水冲洗控制方法分析１．３．１　管道参数管道参数主要与需要冲洗的管道有关，包括管道直径、管道起伏情况、管道长度、管道附属阀门、管道附属排气措施等因素。对于一段已经确定需要冲洗的管道而言，管道直径与起伏情况为固有物理属性，为不可控制参数，属于管道气水冲洗的输入因素。管道长度、管道附属阀门、管道附属排气措施等因素虽为物理属性，但可在管道气水冲洗过程中进行适当操作，可作为管道气水冲洗的操作因素。对于管道直径与起伏情况已定的待冲洗管道，管段一次冲洗长度决定了该次冲洗管段通过的管道起伏高差程度以及个数。通过气水流动沿程水头损失、局部水头损失以及重位压降损失的计算，确定合理的一次冲洗管段长度，气水流动水头损失计算方法参考文献［７］。管道附属阀门、管道附属排气措施等因素对管道冲洗过程中流体的流动速度控制、气体在部分管位的积聚与释放产生重要影响，需要根据管段冲洗实际情况进行操作。１．３．２　水力参数水力参数主要为管道气水冲洗过程中流体控制因素。气水冲洗管道过程中，气液两相流流态至关重要，其决定因素为空气流量、水流量、气水流量间歇比，可根据管道冲洗的实际情况进行选择与操作。２　案例分析２．１　工程介绍本次气水冲洗管道为华东Ｓ市ＰＸ公路ＤＮ８００管道，全长６　８０６ｍ，共穿越１１处障碍，其中水平定向钻进穿越７处，桥管穿越４处。冲洗管段示意如图１所示，穿越各障碍方式及尺寸见表１。图１　冲洗管道示意表１　冲洗管段穿越障碍方式及尺寸冲洗管段障碍编号穿越方式高差／ｍ长度／ｍＳ１Ｔ１水平定向钻进１５．０　２５２Ｑ１桥管３．０　６５Ｔ２水平定向钻进１３．０　２００Ｑ２桥管３．０　８１Ｓ２Ｔ３水平定向钻进１０．０　１８０Ｔ４水平定向钻进８．０　４５０Ｑ３桥管３．０　７５Ｓ３Ｑ４桥管２．５　８２Ｔ５水平定向钻进１１．０　２５０Ｔ６水平定向钻进９．０　１４５Ｔ７水平定向钻进２０．０　１８８２．２　冲洗方法与参数确定气水冲洗管道流程示意如图２所示。在冲洗管段上游加装水流量控制阀、流量计、进水远传压力表和管道进气设备；冲洗管段下游设置阀门以及排出口，下游阀门处于关闭状态，使冲洗管段相对隔离。管道进气设备由空压机、储气罐、加气管、气体流量控制阀、流量计、进气远传压力表、中央控制器组成。气水冲洗设备如图３所示。气水冲洗前，先使水在管段中流动，通过水流量控制阀调整管段中单相水的流速；随后冲洗管段中引入一定频率的气体，气体的进入量由流量计２和压力表２进行控制。通过控制空气、水流量控制阀的启闭，调节进入冲洗管段的气、水间隔时间，从而控制进气、水流量，实现管道的气水冲洗效果。给水排水　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．９　２０１４９１　　　图２　气水冲洗管道流程示意图３　气水冲洗设备沿程、局部水头损失按满管流计算，重位压降损失按最大重位压降，作为最不利条件，进行管道水力计算。结合待冲洗管道的实际条件，如排水条件等，确定各冲洗管段长度。将管道分为３段进行冲洗：第一冲洗段Ｓ１长度为３　０２１ｍ，冲洗进水来自连接的ＤＮ４００管道；第二冲洗段Ｓ２长度为２　５５３ｍ，冲洗进水来自上游Ｓ１管段；第三冲洗段Ｓ３长度为１　２３４ｍ，冲洗进水来自上游Ｓ３管段。各管段穿越障碍情况如图１、表１所示。管道确定各分段后，各管段最不利水头损失及进水平均压力情况见表２。可以看出，Ｓ１、Ｓ２管段最不利水头损失小于进水平均压力，气水冲洗过程可顺利进行；Ｓ３管段最不利水头损失大于进水平均压力，气水冲洗将出现困难，出现冲洗气液分离甚至断流现象，需采取措施减小重位压降，完成气水冲洗。表２　各管段最不利水头损失冲洗管段最不利水头损失／ｍ进水平均压力／ｍＨ２ＯＳ１　３２．０　３３．０Ｓ２　２５．０　３１．０Ｓ３　４２．０　２９．０结合冲洗过程中的出口及实时监测设备数据，进行水力参数适当调整，获得了较好的冲洗效果，各管段水力参数见表３。冲洗各管段沿线附属管道阀门全部开启；排气阀、消火栓适当开启排气，从而降低重位压降。其中Ｓ３管段由于最不利水头损失大于进水平均压力，给管道气水冲洗造成困难。表３　气水冲洗各段水力参数冲洗管段进水平均压力／ｍＨ２Ｏ进气压力／ＭＰａ气、水时间／ｓＳ１　３３．０　０．４０～０．６０　２０／３０Ｓ２　３１．０　０．４０～０．６０　２０／２０Ｓ３　２９．０　０．４０～０．６０　１５／３０冲洗参数中，进水平均压力由冲洗管段所处管网位置等管网自身因素决定。冲洗进行前，需要通过供水相关部门做好水力调度工作，在满足管网安全前提下，尽量提高待冲洗管道压力，保证冲洗水量。３处待冲洗管段采用相同的进气压力值，进气压力大于冲洗管道的来水压力，满足顺利进气要求。气、水冲洗时间比根据冲洗过程中的出口位置及实时监测设备数据，适当调整，最终获得了如表３所示时间比。可以看出第Ｓ１管段进气、水时间比略小于Ｓ２管段，第Ｓ３管段进气、水时间比最小，这主要是由最不利水头损失与进水平均压力关系决定，第Ｓ３管段最不利水头损失大于进水平均压力，需要减少气体进入量，减少气体在穿越障碍的下降管段气液分离及聚集长度，减小重位压降；并且在冲洗过程中，适当开启预装在下降管段顶部的消火栓或排气装置，实现重位压降的有效控制，顺利实现Ｓ３管段的气水冲洗。２．３　冲洗效果及分析２．３．１　管道出口情况管道冲洗参数调整到位后，管道出口气液间歇出流，出水段中气水充分混合，成菊花状混合喷出；冲洗过程中带有间歇的爆破声，管道出口出水情况如图４所示。可以看出，各管段冲洗过程中，管道参数与水力参数选择合理，出口呈间歇伴随均相出流，管道冲洗效果良好。图４　气水冲洗出水情况２．３．２　水质变化情况出水水质采用每隔１５ｍｉｎ进行采样测试，由于现场条件限制，采用便携式浊度仪进行浊度分析。当浊度满足水质要求后，停止气水冲洗，并采样取回９２　　　给水排水　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．９　２０１４实验室进行水质指标分析。第Ｓ２管段出水水质变化情况如图５所示。可以看出，冲洗出口水质在冲洗初期急剧恶化后，较短时间内水质迅速提高，很快满足冲洗管道水质要求。图５　第Ｓ２管段出水水质变化情况２．３．３　冲洗完成时间及管道平均流速气水冲洗管道的时间分别为４．０ｈ、３．５ｈ、５．０ｈ。管道冲洗时间与气水冲洗效率相关。相较于第Ｓ１、Ｓ２管段，第Ｓ３管段管道高差大，起伏连续多，气水冲洗效率降低，冲洗时间增长。管道冲洗总时间为１２．５ｈ，冲洗时间较单相冲洗大大减小。第Ｓ３管段上游流量计冲洗瞬时流量如图６所示，管道内平均流速为２００ｍ３／ｈ。图６　冲洗管段流量２．３．４　用水量及经济比较根据以往工程经验，若采用单相水冲洗ＤＮ８００管道，每公里冲洗时间约为６ｈ，根据规范要求，冲洗水流速不小于１．０ｍ／ｓ，单相水冲洗与气水冲洗本工程管道所需耗水量和费用见表４。表４　单相水冲洗与气水冲洗耗水量与费用比较项目冲洗时间／ｈ单位时间耗水量／ｍ３／ｈ总耗水量／ｍ３水价／元／ｍ３水费／元单相水冲洗４０．８　１　０８０．６　４４　０８８．４８　２．６５　１１６　８３４．５气水冲洗１２．５　２００　２　５００　２．６５　６　６２５可以看出，采用气水冲洗管道，上游来水水量仅需单相流冲洗水量的１８．５％，管道内的液相折算平均流速为０．１２ｍ／ｓ，对进水量要求大大降低，可有效满足小口径冲大管道的要求。气水冲洗管道所需总水量仅为传统单相冲洗管道需水量的５．７％，可节省水量４１　５８８．４８ｍ３，节省水费１１０　２０９．５元，大大节约了水资源。３　结语与展望本文针对大口径、大高差、多起伏管道气水冲洗实践，阐述了气水冲洗管道的原理，分析了水力特点及冲洗控制因素；结合华东Ｓ市ＰＸ公路ＤＮ８００管道气水冲洗工程实践，对控制参数及冲洗效果进行了具体分析与讨论。根据冲洗效果分析，上游来水水量仅需单相流冲