真空排污管网水力计算方法及设计程序

第22卷第6期中国给水排水Vol.22No.62006年3月CHINAWATER&WASTEWATERMar.2006真空排污管网水力计算方法及设计程序段金明,周敬宣,林洪(华中科技大学环境科学与工程学院,湖北武汉430074)摘要:真空式排污管网的设计较复杂,各条管线的压力损失、设计流量及真空度等设计参数是不同的,基于其特点提出了真空排污管网水力计算方法,并通过计算程序设计了某真空排污管网工程。关键词:真空排污管网;压力损失;节点真空度;设计流量中图分类号:TU992.22文献标识码:C文章编号:1000-4602(2006)06-0046-04HydraulicCalculationMethodandDesignProcedureforVacuumSewerageDUANJin2ming,LI(SchoolofEnvironm&ofScienceand430074,China)Abstract:fvacuumseweragenetworkisrelativecomplicated,therearedifferentde2signparametersinallpipeline,suchaspressureloss,designflowrate,andvacuum,etc.Basedonthesefeatures,thehydrauliccalculationmethodforvacuumseweragenetworkwaspresented,andavacuumseweragenetworkprojectwasdesignedbymeansofthecalculationprogram.Keywords:vacuumseweragenetwork;pressureloss;nodevacuum;designflowrate与现行的重力排污系统相比,真空排污系统不但能节约用水、保护环境,而且具有管径相对较小、土方开挖量少、污水易提升、管网安装方便、经济性能好等优点,此系统可用于城镇居民、生态旅游区以[1～3]及缺水和修建重力排污系统困难的地区。1真空排污系统组成及真空管道设计①系统组成真空排污系统以真空吸力同时输送污物和空气,由服务终端、真空阀井、真空管道、中央收集站组成(见图1)。真空压力来自中央收集站,并由收集管网传输到各个服务终端。终端污水经重力式排污管道流入真空阀井,当阀井内收集的污水达到预定体积(约40L)时,真空界面阀开启4～6s后自动关闭,将污水及一定体积空气吸入管网,输送到中央收集站。②管道设计排水干管是由许多向下倾斜管段(坡度≥0.2%)和很短的上升管段所构成的齿状纵断面结构,常用材质为PVC管材。一个中央收集站可与几条真空排水主干管相连(污水干管可分为主干管和干管)。排水干管以树状形式铺开,并依次由管径为100、160、200、250mm等管道组成,其最大允许污水流量分别为140、400、800、1400L/min。管网的具体铺设方法如下:当污水沿坡度≥0.2%的管路向下输送时,污水本身重力足以克服沿程摩擦阻力,这时管道与地面平行方向铺设;当污水沿水平段(向下坡度<0.2%)或向上坡输送时,管网则铺设成向下坡度≥0.2%的状态,若管道埋设太深则通过两个45°弯头和一根直短管的提升段来提升高度。通常100mm干管的提升高度为0.31m,管径>100mm的干管提升高度≤0.46m。若采用多级提升,则干管必须在以大于0.2%坡度铺设至・46・©1994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.第6期段金明,等:真空排污管网水力计算方法及设计程序第22卷少15m长之后,才开始出现第一级提升段,随后的每一级提升段之间距离至少为6.1m,而且以此距离连续提级不能超过5级。干管间隔500m应安装一个截止阀以便于检修。图1真空排污系统示意图Fig.1Schematicdiagramofvacuumseweragesystem水力计算方法及程序2对于复杂的真空管网,若用手工方式计算每根便计算,,程见图2。,可采用编号1。②,直至遇到某节点有其。如果这根管已经被编号了则继续顺流而下;如果没有则从该支管上游最远端的管道开始编号。③编号最大的管道是流入中央污水收集罐的干管。④将所有流经某个节点的管道数定义为该节点的编号。编号最高的节点就是中央污水收集站。图3为某小型真空式排污管网中干管的管段及节点标注方法示意图。图3管段及节点标注示意图Fig.3Numberingschemeforpipesandnodes图2设计计算流程Fig.2Flowchartofdesigncalculation212输入参数的确定211计算管线确定准备真空排污管网的平面图。一个收集管网常包括几根主干管线,且每一主干管线以树状拓扑结构布局,每一根管都有一个上流节点和下流节点。输入参数由主干管线相关记录(NP、QPP、PF、HT)及设计管道的属性(PN、DN、NPE、D、L、LF、NL、LIFT)两部分组成。其中,NP为某一条主管线所有管道的总数;QPP为人均污水量;PF为峰值因子(即设计污水流量与平均污水流量之比);HT为中央污・47・©1994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.第6期中国给水排水第22卷水收集罐的最小真空度;PN为管道编号;DN为某管道下游节点编号;NPE为使用第i根管道的设计人口数(不计上游管段汇入部分);D为管道直径;L为管道几何长度;LF为管道有效计算长度(用来计算坡度<2%的管段摩擦损失,当管道坡度>2%时摩擦压头损失可以忽略);NL为某管道的提升级数;LIFT为某管道的总提升高度,它是通过累计每级提升管段高度而得到的。确定真空干管管径D的方法:根据每一节干管接入的用户数,计算该管段实际设计污水量,再由各种管径的最大设计流量来选择合适的管径(见表1);也可基于优化设计理论来确定管径。表1最大设计污水流量Tab.1Maximundesignsewageflow项目管径/mm最大设计流量/(L・min-1)100140式中l(i)———第i根设计管段的有效计算长度,mC———Hazen-Williams系数,由于真空管道采用PVC管材,所以可取C=150q(i)———第i根管段的设计污水流量,m/s(4)q(i)=qc(i)+qp(i)式中qc(i)———从上游管段汇入第i根设计管段的转输污水流量,m/sqp(i)———从服务区直接流入设计管段的本段污水流量,m/sqp(i)=Ni×QPP×PF×10-324×60×60(5)数值160200400800式中Ni———使用第i根管道的设计人口数QPP———每人的平均排污量,取200L/(人・d)PF———峰值因子,推荐值为3.5214计算各节点真空度左右的压力才能打开,仍有15kPa左右。真空站提供的吸力需克服污水在管道输送过程中遇到的阻力,若提供的真空抽吸力不足则将导致污物无法收集到真空站;若提供的真空抽吸力过大则浪费能量。因此,有必要检验管网中每个节点的真空度,当系统的真空度不够时应及时开启真空泵迅速地排出管内空气,以确保系统所需的真空度(当然,也可通过优化设计管径、优化铺设管道等减少沿程阻力损失的措施来满足系统真空度的要求)。各节点真空度计算方法(以图3为例),假设各节点真空度为Hi(i=1,2,…,10),首先,初步设计确定中央污水收集罐(节点10)的最小真空度H10,然后逆流而上,各节点真空度可按下式计算:(6)Hi=Hj-HL(i)(i=9,8,…,1)式中Hj———节点j的真空度,j等于编号为i的管道的下游节点标号HL(i)———编号为i的管道压损2501400213计算真空管网压力损失整个管线总压头损失可看成各设计管段的静升:HL=∑hf()(ii=1i=n1)式中HL———,mH2O(1mH2O=9.8kPa)lf(i)———第i根设计管段的静提升损失,mH2Ohf(i)———第i根设计管段的摩擦水头损失,mH2O(2)lf(i)=lift(i)-nl(i)・d(i)式中lift(i)———第i根设计管段的累计总提升高度,md(i)———第i根设计管段的内径,mnl(i)———第i根设计管道中的总提升级数真空式排污管道系统是按非满流设计的,空气充满管道大部分容积,气、液、固三相流体并存。考虑到粪便在气流和污水的高速冲击下被冲碎成较小的颗粒,和污水密度相近,运动形态及流速也相差不多,因此可把粪便和污水组成的“伪流体”近似看作为一相(液相),将空气看作另一相(气相),通过两相流计算理论及试验来修正传统的哈森-威廉斯(Hazen-Williams)水头损失计算公式,可得出:()1.850.0057×[]×l(i)(3)hf(i)4.87d(i)工程算例3图4为某污水管网系统中干管的平面布置示意图。该系统有三条主干管线直接与真空站中的真空收集罐相联。#以I主干管线为例,按前述设计程序计算相关的水力参数,输入数据见表2、3,计算结果见表4。・48・©1994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.第6期段金明,等:真空排污管网水力计算方法及设计程序第22卷可以看出,压力损失最大的线路为3-4-5-8-9,其压力损失总值为28.1kPa,又因为真空站最小真空度为55kPa,所以用户终端的真空压力可达26.9kPa左右(远大于15kPa),完全能满足系统正常运行对真空度的要求。如不能满足要求则需调整相关参数(譬如选择图4某污水管网系统中干管的平面布置图Fig.4Basicpipelinelayoutforaseweragenetworksystem挖掘长度不大的上坡段,增加开挖深度来降低在此处的静压头损失)以达到设计要求。结语4提出了用于计算真空式排污管网中压力损失、设计流量及节点真空度等参数的设计程序,该程序还能检验真空是否不足、各管道尺寸是否合适、各管道污水量设计是否过大等设计问题,此外,还可用于确定真空收集罐容积、真空储能罐容积、排污泵排量及真空泵排量等设计参数。:]H.Defyinggravity[J].1998,68(2):67-69.,叶林,李艳萍.真空下水道系统[J].中国给水排水,1998,14(1):61-63.[3]周敬宣,郑慧明.真空下水道排污系统的研究[J].给水排水,1999,25(11):55-57.表2主干管线的相关记录Tab.2Parameterrecordsofamainline管道数8人均污水量/中央污水收集罐的峰值因子-1-1(L・最小真空度/kPa人・d)2003.555表3设计管段的相关属性Tab.3Propertiesofdesignedpipes管道下流节设计提升管径管长L编号点编号人数级数/mm/m管长/m高度/mPNDNNPENL1234567825458789256420481503270210100120...00..100152.150.00160320.320.00100130.130.00100280.280.00160400.394.0012032070.0.HYPERLINK"/retype/zoom/98011925ccbff121dd3683ac?pn=4&x=0&y=1382&raww=200&rawh=118&o=png_6_0_0_45_1167_37_22_841.5_1207.5&type=pic&aimh=118&m