浅谈中国城镇水务行业节能降耗之路.doc

个人收集整理 勿做商业用途浅论中国城镇水务行业节能降耗之路摘 要：本文总结分析了我国水务行业存在高投资、高耗能以及难以治理的关键性问题，讨论了传统的不合理的城市管网改造方式,通过详细介绍“真空高速流技术在城镇水务领域节能降耗的巨大潜力，以多年的研究成果为依据，论述了“真空流”技术与水务行业各领域相结合的作用和意义，并提出我国水务行业未来节能降耗的发展思路与可持续发展趋向.关键词：真空高速流 重力流 节能降耗 气阻 管网Discussion on the Path of EnergySaving Consumption-Reducing for Water Supplies in Urban and Town in ChinaAbstract： The article summarizes the critical issues on huge investment, large energy consumption， and difficult management in the industry of water supplies in China, and discusses unreasonable traditional urban piping reformation mode. By introducing the great potentials about vacuum highspeed flow technology for energy-saving and consumptionreducing in water supplies industry in urban and town area， based on the research results derived from many years experience, this article explains the action and significance of combination of vacuum flow technology and water supplies industry, also provides the development consideration and sustainable development tendency about future energy-saving & consumptionreducing in water supplies industry in China. 个人收集整理，勿做商业用途文档为个人收集整理，来源于网络Keyword： Vacuum High-Speed Flow; Gravity Flow; Energy-Saving & Consumption-Reducing； Air Resistance; Piping Network城镇水务行业作为关系着国计民生的命脉行业，牵动着广泛的公众利益,同时也影响着广大水务企业的发展。面对日益严重的水荒，我国政府决定加大整个水务市场的投资总额，解决愈演愈烈的水资源供需矛盾。作为水务企业如何才能降低资金投入风险、把提高生产效率列入企业发展战略，在保障需求的前提下以节能降耗为原则,积极应用成熟可靠的新技术、新产品，构建更加合理的生产方式,成为首要议题。节能降耗不仅关系国民经济的可持续发展,对企业本身也意味着降低成本，提升竞争力。管道输水作为城镇水务工程投资的重要组成,城市管网对于原水引水、配水的设计、投资、改造普遍存在投资大、能耗高、效率低等传统特点.为达到节能降耗目标，水务企业在引水、配水领域针对性的选择并实施技术上成熟的“真空高速流”技术，对于未来城市管网运行、降低能耗投资、减少维护成本、提高生产效率都具有重大意义。“真空高速流”技术，以节能降耗为设计理念，经过22年理论摸索，100多项水务工程实践，为我国城镇水务行业提出了最科学可行的节能降耗发展思路，它以区别于任何传统供水方式的全新面貌出现，将成为我国城镇水资源可持续发展的必然趋势。本文着重涉及管道供水节能方面。1我国水务行业城镇供水问题剖析1。1管网漏失严重供水漏损率是反映水务行业企业管理水平的重要标志之一，长期以来，管网漏失率高，既困扰着供水企业的经营与发展，也严重影响城市供水。根据建设部城市管网漏损率控制及评定标准规定，城市供水基本漏损率为12%，我国城市供水平均漏损率约20%，与欧美先进城市7漏失率相比还有较大差距。随着我国城市化进程的推进,管网减漏对于节约水资源,保障经济和社会健康发展具有重要的战略意义。管网漏失的原因：1.由于供水压力的波动对管网的冲击，管线瞬时水压波动大，造成漏水；2。旧管网基础设施落后，建设年代长，配水管网管径小,锈蚀严重，管线老化；3.管网分布不合理，爆管现象时有发生，不仅严重浪费水资源，也成为安全供水的一大隐患。4。管网中安装有大量排气阀，一方面，阀门本身的密封性不好，会使水量流失造成浪费且流速高时进气;另一方面，当处理爆管等突发事故时，若阀门不能及时关闭（或关闭不严),延误抢修时间，也将造成巨大损失。有时阀门因本身质量问题而无法正常启闭,需更换时又造成新的水损。笔者经过长期研究,认为长距离引水管道及配水管网中不断掺入的大量空气是造成以上四个主因的最根本原因，而管材、管径、配件等则是次要影响因素。一些城镇的地形沟壑纵横、变化万千，地貌凹凸不平、路形曲折。管网受地形限制，弯曲敷设。当管径越大、流速越快,水源进水始端涡流掺进气量越大.这些被旋涡源源不断卷进管内的极微小气泡，运行一段距离后，停留在各段管道的高凸处,形成气阻，流体被空气阻断,过流截面减小,流速降低。一些管线距离较长，由于空气大量的窝存于管道最高点，致使空化区附近的水流固体边壁产生了剥蚀破坏,久而久之引起材料的疲劳和管道的断裂。气体进入管道，易引起锈蚀,使管道老化加速。由于空气的局部应力集中，爆管发生频率增大。为驱除气体而增设的排气阀，成了管网掺气及跑冒滴漏的新源头.为提高供水流量、降低漏损，以提高管材质量和增大管径为主的管网改造成为水务建设的重要手段。管网改造，投资巨大，许多供水部门在资金上存在较大困难，且改造后虽然局部改善水压、管网漏失降低，但新管仍然摆脱不了气阻的困扰，水压不均、爆管隐患等问题无法彻底解决。提高管网输水配水能力、降低漏失是否只能重新铺设新管网？在通过对新型发展城市管网改造观察中发现,“真空高速流”在不改变原城市管网基础上不仅提高供水能力15-100%，管道压力反而降低了10%,使管网形成有效的保护机制,延长了管材寿命，降低了爆管率.唯有排除空气对管网的直接影响，从源头彻底杜绝气体进入管道，是降低引水、配水管网漏损率的最有效方法.1。2供水压力不足不少城镇由于就近水源不足，大规模远距离甚至跨流域调水，横越河川、公路、铁路等障碍物之底部的U形倒虹吸管段成为管流输送必经之路，掺入管内的大量气体运行到U形管的始端，由于流速低，垂直向下运行困难,造成气体窝积，过流截面缩小，流量不足、供水压力不足、极易爆管.由于水头损失的影响，多层住户、边远地区易成为供水低压区甚至零压区，经常出现供水压力不足，需要增压的问题.自来水断断续续，有时滴水皆无，24小时连续供水得不到全面保证。居民吃水困难，影响正常生活；工厂缺水，导致生产停滞甚至产品报废、设备损坏；消防水压不足，将引起重大经济损失和人员伤亡.供水压力不足的问题，给供水企业和多层住户造成增压负担，耗费大量能源。供水加压还引起水质二次污染等附加问题。水质细菌超标，增加水箱清刷消毒成本,水质与水价的反比例增长，使大部分用户难以接受。随着人民生活水平的提高,供水矛盾逐渐突出，如何降低水头损失、降低能耗、提高供水能力、根治二次污染、降低供水成本，成为我国水务行业必须优先解决的重大问题.笔者认为，不改变管网现状，大幅度减少水头损失、提高引水配水流量是解决城镇供水的最有效方法。2真空高速管流技术理论核心 通过以上分析，排除空气对供水管网的直接影响、大幅度的减少水头损失，将成为水行业必须关注的两大焦点。真空高速流技术自主创新，成功地克服这两大难题，在减低管网漏失率，提高供水压力方面具有创新突破性,节能效果显著.2。1真空高速输水运行原理概述“真空高速流”技术以大气压力与势能为运行原动力,在节能方面具有天然优势。它虽以虹吸原理为基础，却与传统虹吸明显不同.真空整流装置作为潜水式的固定装置，避免了每次放水均需向管内充满水的繁琐过程,输送管径、距离可以无限大，虹吸最大真空高度可达到8mH2O，（如图1所示）,通过真空泵抽吸及液气交换箱置换作用使真空部位产生高真空负压，从而使倒U形管两边水位相互连通，当虹吸倒U形管两端具有水位差时，即可自行从高水位向低水位抽吸.运行过程无需任何外加动力。图1 真空高速输水运行原理图2。2 真空高速流挑战水头损失根源论经典理论认为，液体质点间的相互摩擦和碰撞产生的内摩擦阻力（粘滞力)是水头损失产生的根本原因。紊流的脉动与液体质点的相互混掺产生的内摩擦也是紊流流速减弱，能量损失增加的最主要因素。所有“重力流”，都是依靠流体自重自上而下流动,受到地球的自转偏向力影响，保持一定的旋转状态。当流速增大时，这种旋转形成涡流（如图2所示），水面直接与空气接触,当水体内部形成涡体，空气也就伴随着涡体卷入管道，水卷吸挟带着空气在管内运行。在无压环境中，水在大气中流动时受到的空气阻力非常小，几乎可以忽略不计,但管道是一个相对密闭的有压空间，当水分子挟带着气体分子在管内流动时，两种质点相互混掺,气体分子图2重力流涡流掺气现象 必将扰乱水体的正常流动，使质点相互碰撞和摩擦，运动要素产生不规则的急剧变化。在这种状况下，水中的气体分子由于浮力的作用上升到管壁，形成大小不等的气泡，随着气泡的聚积，微小的气泡将逐渐的长大并达到一定的体积而形成气囊，气囊使水体断开,在局部形成“气阻空管状态。由于气体的可压缩性，将对管道产生应力集中，而造成管压的不稳定性，此时流体中气体掺入是造成液流附加切应力的直接原因，也是形成紊流的重要影响因素。利用水泵对水流进行做功,把机械能转变成压力能,使流体能量增加的输水形式,称为“压力流”。由于水泵是依靠叶轮的高速旋转产生离心力作用于流体的，压力管内流体只受到一个旋转的、单向的“推力”，这个“推力”依靠流体本身的传递，既要克服流体的重力,又要克服沿程的摩擦阻力，由于不断的掺气而管内水充盈度不高，能量的传递受阻，其结果是：压力管的始端水压大,远离的水压小，水压随着管线距离的延长而逐渐降低。“压力流水体的旋转同样形成了涡流。水在管道中挟气运行，空气由于受到挤压作用形成的局部气压过高对水流的阻碍作用（简称为“气阻”）已经超越了管壁摩擦力以及液体粘滞力而上升为影响管流运行的主要矛盾，不可视为忽略不计的因素。在实际重力流、压力流工程中,沿程需要设置大量的排气阀驱除空气,以增加过流截面，就说明了气阻是水头损失不可忽略的重要因素。真空高速流排除了气阻,以同样的水头、同样的流体、同样的管道输送环境，克服了同等的粘滞力作用和管道摩阻，不设排气阀，却能超常规地提高流速，增大流量，大幅度减少水头损失，呈现出区别于传统重力流、压力流的明显优势。运行过程不挟带气体,流速高,流量大，管压均匀，水头损失明显降低。其实际效果说明了气阻才是水头损失的根源所在.真空高速流在提高流速的同时，管道压力不但不增加反而更均衡，出水清澈透明，不含白色泡沫，与重力流、压力流出水形成明显区别。图3、图4是一组实际工程中调度室提供的通过圆盘记录仪实测的同一地点压力时间曲线图,在同样的工程状况下,重力流的管道压力状态不规则、呈齿轮状，分布不均匀;相对而言,真空高速流则在比重力流流速提高的前提下实现了更理想的管压状态.重力流、压力流在运行时,由于大量气体的掺入，管道的部分空间被占据,气体缩小了管道输送截面，不仅造成能量损失，还使输送效率降低，流量大幅减少。当应力集中到一定程度，将由量变到质变而引起爆管事故,对于供水安全及节能降耗都产生极为不利的影响。在长距离引水工程中,排气阀的使用不仅耗费人力物力财力,更主要的是它不能完全彻底排除气体对于管流的干扰作用,排除一次之后不能控制气体的再次进入,必须经常性的定时启闭，且管线流量的增加相当有限，必要时还必须通过“二次加压”来增加能量。图3重力流圆盘记录仪P-T曲线图 图4真空高速流圆盘记录仪P-T曲线图2。3 真空高速流区别于层流、紊流的流速分布状态2。3。1圆管中层流、紊流的流速状态分布圆管中的层流运动，可以看作是许多无限薄的同心圆筒层一个套一个地向前运动,圆管均匀层流的流速分布呈抛物线型。其流速分布表达式:紊流中存在大量涡体，并且涡体沿各方向进行输移、混掺、碰撞，使紊流中任何一个空间点上的运动要素，包括流速的大小和方向、压强等随时间不断在变化着。紊流的脉动特性使液体质点间不断地交换动量、能量,从而引起附加切应力,使能量损失增加，导致流速分布均匀化，水流挟沙能力增大，热量和物质扩散加速，并有可能引起建筑物的振动等一系列有害的现象。紊流的流速分布通常采用半经验公式,应用最广的是普朗特建议的指数型分布。其流速分布表达式： 如图5所示，图5圆管层流和紊流流动的断面流速分布由层流向紊流过渡时的波动现象：（如图6所示）图6层流、紊流、过渡态流态对比示意图2.3。2真空高速流体在管道中的运动状态和流速分布笔者在实际应用和大量的工程实践中发现，牛顿内摩擦定律在真空高速流体的运行过程中并不完全适用。真空高速流是一种区别于重力流、压力流以及传统虹吸的输水新形式。运行起始,液气交换箱与真空泵运行工作，将气体完全排出管道体系,形成无气阻的最优输水环境。在垂直输水虹吸管道中,由于管道水面以上部位形成了局部的高真空,潜水整流装置处进口压强大于大气压强，巨大而恒定的压力差使水在瞬间平稳迅速的进入整个管道，由低往高处攀升,并随着管线持续不断的沿一个方向流动，管线建设可随地形起伏，因地制宜。吸水时,液面异常平静、无涡流出现，进入管内的水流不掺气，管内水充盈度高，形成“满管流”，最大的真空输水高度可跨越水面以上八米。为了避免产生紊流，导致管道内的流层运动呈不规则的曲线上升状态，真空整流装置设计了特殊的精密机械结构克服了与流向相垂直的力学分量。使用密布且排列规范的微型液压缸对进入真空的流体进行整流，将大管径流体分割成有限微元，使每个输水单元相互之间不扰动、不混掺，改变整管管流的流速梯度（如图7所示)，任意一个“输水单元”都具有同等的力学性质，在垂直整流管中,真空高速流体质点在管道内的分布基本是均匀的。当有限微元的数量趋近于无穷大，则管流接近于无粘滞力的理想状态。图7圆管真空高速流流动的断面流速分布3真空高速流技术应用现状真空高速流是一项利用自然条件，无需任何外加动力，节能高效的全新输水技术.它人为疏导完善了输水运行环境，改变了水体运行的流态，大幅度的减低了水头损失。在实际应用中日臻成熟，已实施工程百余项，解决了众多水工程技术难题。可应用在城镇自来水供水配水、长距离引水、水库溢洪、防汛抗旱、水电站增容发电、水库清淤、农田灌溉、工业循环水、地下水回灌、输送石油、海水、卤水等诸多领域，几乎涵盖了水行业的方方面面.特别适用于高水头、大管径、长距离、耗资巨、地形复杂、起伏大、水质二次污染、需二次加压且流量无法满足、管道气蚀爆裂严重等系列工程改造。对于城镇水务工程，采用“真空高速流”对重力流、压力流工程进行改造，改善水务行业“瓶颈”状况,有助于中国水行业节能降耗工作的顺利实施。4真空高速流技术节能优势真空高速流技术节能优势众多,应用领域广泛，以最少的能源消耗量（运行不耗任何能源），达到最优的输水效率，节能效果显著。如下表1:节能优势对中国城镇水务行业产生的影响1流量大增，大幅度降低工程水头损失不改变原供水管网任何条件，流量比同条件“重力流”供水提升15-100；提高幅度依据地形特点以及管径的大小而变化.地形越复杂，起伏越多,管径越大，则流量提升越显著。2运行不耗电，节省电力资源运行完全依靠大气压力与势能作用，节能无污染,不耗用电能，完全自动抽吸供水,不必人工值守，只需一次充水即可终身使用，运行方便，流量可通过阀门控制。3解决爆管事故问题，降低水资源漏损由于没有气体集中应力作用，管压更均匀,更有利于保护管网，大量减少爆管事故发生，增加管材寿命。避免爆管引起的人民生产、生活损失，利于供水企业的后期维护。同时，减少水资源直接及间接的浪费,防止漏损，高效节能。4无需设置排气阀，减少工程设备投资供水全程无需设置排气装置，在进水口处彻底杜绝气体进入,水体更连续，运行更安全，在减少排气阀投资的同时，也降低了许多工程附加维护投资，避免了人工定期进行管网排气的麻烦，维护更轻松，投资更节省。5无需二次加压，减少泵站投资输水距离更长，供水压力更足。只要配水点与原水液面具有一定的落差,水体无需经过二次加压可直接上多层建筑及一些相对较高的小山坡，高于引水水面有扬程的部位可局部加压。供水压力甚至比重力流二次加压后更大，效果更佳。大量节省二次泵站及楼顶水池的投资。6输送效率高,减少管材投资输送效率显著提高,无需费巨资更新管材,同样达到节能效果。7充分利用地形，减少土石方开挖真空高速流技术可替代坝下泄水涵管，彻底消除土坝放水涵管的隐患，且比大开挖坝体重新埋设涵管节省投资。任何水工程或水电站可充分利用地形，随着地形起伏敷设管道，缩短工期且减少土石方开挖。8减少汽蚀,延长机电设备使用寿命由于没有空气掺杂，不再对坝内涵管及水轮机叶片等形成强烈汽蚀，更有效的保护机电设备，保护管网。9结构简单，节省工期及人力投资真空高速流技术只需要在原重力流基础上加装一套设备，进行真空改造及整流，即可达到最佳的输送效果，结构简单，利于节省工期.10运行方便，降低后期维护成本完全自动运行，只需要简单维护,控制水位流量，保护真空不被破坏即可。11避免二次污染，提高供水水质避免了因二次加压引起的水质二次污染，清淤更方便，减少因气体引起的管壁锈蚀老化,水质更加清澈透明，安全无污染。12消除水库事故隐患，确保人民生命财产安全运用于水库溢洪及长距离引水,迅速自动调配水资源，灵活机动，无需大量人力抗洪抢险，使水库更无后顾之忧，人民生命财产安全得以保障。表1 真空高速流技术节能优势一览表5典型工程实例现以具有典型性的工程案例福建省永安市自来水配水工程与河南省平顶山石龙区长距离穿坝引水工程的成功改造为例，进一步阐明几个具体问题。5。1福建省永安市自来水配水工程工程概况：永安市水司配水工程原采用“重力流”输水方式，两座各4000立方米清水池，池底标高为240m，其中一池工程管道为700mm，二池工程为 600mm，两管在1.7km外并网供水，城区最高处标高为230m，最低处为160m。永安市城区最高处为一座18层的高层建筑（中国银行大楼），顶层标高230m，采用“重力流”配水，自来水只能送到1012层（约215m），但出水量很小；城郊边远地区有一驻地部队，距水厂18km，支管直径100mm，供水管道中途需加压,城区内的红头山高位水池，一般晚间水压必须达到4.5kg/cm2才能进水。管网掺气、窝气量很大,运行中若关闭主管道靠近清水池的第一个排气阀，2小时后开启，需排气3分钟。“气阻”是造成上述现象的主要原因,并直接影响了总配水量。按照常规分析：1、中国银行大楼与高位水池距离9km，其水头损失10m （两地水头差即240m230m)；2、9km的主管道并联不少的支管，连接着千家万户，大家都在用水,水压自然下降，城区多层楼房水上不去是很正常的;3、主管或支管的管径偏小，导致供水压力不足，水头损失大；永安市以上两处出现的情况普遍存在，具有代表性,楼层最高点及远程部队在给水系统中被称为“最不利点”。当“重力流”改用“真空高速流配水后6个小时，在用水高峰期，供水高度达到18层,比原供水方案提高了20米以上，而且出水压力更大；部队中途无需二次加压，自来水直达营地，流量比先前二次加压时更大。由于流速加快，“真空高速流”还具有将长期阻塞在管道内的淤泥从各出水口驱除出来的特殊功效.城区红头山高位水池全天候均能进水，水压仅在3。8kg/cm2，气阻减少,凡管网中低于高位清水池液面的用户，97在24小时内均能出水,配水量普遍比重力流提高40左右。永安水司自从使用了“真空高速流”配水，延长配水距离60以上，完全可以满足城市地面六七十米高度任何出水口的供水需求，100消除了“供水最不利点”，减少高楼水池的二次污染，爆管率降低70以上，彻底解决城市边远地区及高层建筑用户用水难的问题。对城市进一步实施“分质供水、直饮水提供了最强大的技术与设备支持。 5。2 河南平顶山石龙区长距离穿坝引水工程工程概况：河南平顶山石龙区长距离穿坝引水工程2005年底竣工，系以距石龙区12。5km的宝丰县境内龙兴寺水库为水源，原设计日引水量4000m3，水头23m,管径400mm。原采用“重力流”供水，为避免管道掺气问题，沿途共设置13个排气阀。由于掺气量大，工人需每隔两三天沿途逐个启闭排气阀进行人工排气，经过一年多的运行，日流量不足4000 m3，最低日流量仅2500 m3。2006年底，笔者仅对引水工程的原水进水口处实施“真空流”改造，管道穿过高于库水位7m的坝内涵洞与原“重力流”引水管道并联，日流量已增至7500 m3,增加87。5%,目前，该库区仍在实施防渗工程，水位偏低,预计工程完工，水库达到正常蓄水位，流量将突破目前实测流量,再创新高。6结语“真空高速流”输水形式的应用范围相当广泛，为各种城镇水务工程原设计出现的诸如气阻、汽蚀、爆管、压降、断流等问题，提供了全新的解决思路。许多城市花费重金改造管网，仍然摆脱不了二次加压、供水不利、跑冒滴漏的供水局限性。我们期待这项优势明显高于“重力流”与“压力流”的第三种输水形式得以广泛应用与发挥,为我国城镇水务行业向高效率、低投资、低能耗、现代化、自动化、高科技、无污染方向迈进谱写出新的篇章，为诸多供水工程发挥更大的效益竭尽其力，真正把中国城镇水务行业节能降耗落到实处。7参考文献1周建英、陈敏芬、翁友彬 虹吸装置在小型水库中的应用 浙江水利科技 2002年03期2洪张其、赵微人、俞新雄、赵余贵 虹吸管在小型水库泄水涵管改造中的应用 大坝与安全 2005年05期3翁友彬、翁怡萌 关于水头损失根源的水力学理论探讨管道水力输送中能量损失分析 首届中国城镇水务发展战略国际研讨会论文集 2005年4翁友彬 管道的第三种输水形式虹吸流 给水排水技术动态 1996年2期5谷广伟 供水管道水头损失产生原因及计算 科技资讯 2006年NO。276全国给排水技术情报网 全国第三次长距离输水技术研讨会会议纪要 给水排水技术动态 1996年4期7李家星 陈立德 编 水力学1996年注：该论文浅论中国城镇水务行业节能降耗之路,收入由中华人民共和国建设部、中华人民共和国国家发展和改革委员会、中华人民共和国科学技术部和中华人民共和国国家环境保护总局主办的“第二届中国城市水务发展国际研讨会暨水处理新技术与设备博览会”论文集！- 8 -