污水热能利用工程取排水设计

污水热能利用工程取排水设计

城市原有废水是现代工业生产的优良低温热和可支配能源。从可持续发展战略的角度来看，我们必须加快城市原有废水的回收进程。然而，城市原有废水的能耗利用是一项新技术，许多问题必须尽快解决。废水收集和排放是项目成功的第一步。因此，污水处理厂的设计和施工在废水排放和污水泵房的设计和施工中发挥着非常重要的作用。如果系统的设计不正确，污水泵的气蚀和损坏通常是不可靠的。一般来说，泵的吸水口通常不是真空的，这一特殊要求只能通过特殊设计来满足。其次，由于供水量不足，取水量不足，最终设备冻结、系统不稳定，水泵站频繁启动等。笔者的课题组承担的哈尔滨市太古新天地3.2万平方米原生污水源热泵系统供暖工程中至为关键的不是污水堵塞等问题,而恰恰是如何安全而足量地从污水干渠取排水.该工程的疑问通过研究都得到了较好的解答.污水冷热源工程中的取排系统如图1所示.该取排系统有几个非常明显的特点必须给与重视:污水在完成取热之后将在取水口下游不远处排回干渠.污水的回排将对上游造成影响,不同于一般的明渠横向取水.这是一个开式系统.在污水干渠内污水直接与大气接触,存在自由液面.不同于通常的闭式系统.有压流与无压流并存.在污水干渠内污水靠重力流动,遵循明渠无牙流动的规律;在取水管内污水靠污水泵做功流动,遵循管道有压流动的规律.污水干渠、污水泵、管道设备三者构成一个统一系统,流量分配相互耦合,都不能孤立地考虑.问题的特殊性决定了它的复杂性和价值.如何确定取水管道的最小自流高差、取排水口的最大与最小距离、污水干渠的最大取水量等是本文要重点讨论的问题.1不同流量变化的影响因素1.1污水流量的确定决定污水设计取水量大小的因素主要有:供热量Qh与换热温差Δt:污水流动最小管径与最小流速.为了防止管道严重堵塞,必然存在最小管径与最小流速的概念,于是:出于系统运行时的水力稳定性与可调节性考虑,也应该保证设计流量不小于某以下限流量Qd3.污水设计取水量应当取三者中的最大值.对供热(冷)量较大的冷热源系统,一般取Qd=Qd1即可满足所有要求.1.2污水泵qp的确定污水泵的运行流量Qp由污水泵自身的性能和管路特性共同决定.如图2所示.可以看出污水泵运行流量是确定的,且不受其他因素影响,即它与干渠正常流量Qn,取水管自流量Qf无关.相反,中间段的分(回)流量Qr,自流量Qf应当由为污水泵流量Qp所决定.因此污水泵的运行流量Qp才是整个系统的控制流量.系统设计时通常让污水泵的额定流量等于设计取水量,在运行时也可以进行定流量质调节.于是有:1.3污水roe-qp模型由于污水泵自身一般不具有自吸能力或是很弱,因此设计时应该保证污水泵的吸水管能完全靠重力自流来满足流量要求,即必须有Qfmax≥Qp.如图3所示,由于是从污水干渠侧面取水,不受干渠水流动压影响,可以只考虑静压作用.取0-0、1-1断面列伯诺里(Bernoulli)方程有:式中:α为动能修正系数;ζi为各局部阻力系数;hx为取水口处水深;hm为取水管自流高差;hb为水泵前静压水头.令取水管阻抗:容易看出阻抗是一个确定的常数,因此有:1.4集水管的流量平衡当泵前静压水头hb=0时,自流量Qf达到最大值:当污水泵的运行流量Qp<Qfmax时,将会有泵前静压水头hb>0,从而使得自流作用压头H=hx+hm-hb减小,最终结果是使得Qp=Qf而达到流量平衡.这就是水泵前静压水头hb的调节作用,也是水泵运行流量之所以能作为整个流量匹配系统的控制因素的原因.污水来流在取水口附近由于分流,将会出现跌落现象,使得取水口处水深小于来流正常水深,即hx<hn.取水口处水深hx有中间段的分(回)流量决定.但是取水口处水深hx大于取水口设备的高度Hie即hx>Hie是必须满足的,否则自流吸水管内会出现断续的携气流,对污水泵造成严重伤害.一般工程中取水口设备的高度就是取水管的直径,有Hie=D.由式(4)可以看出,为了确保无自吸能力污水泵的流量要求,取水管自流高差存在最小值.令,hb=0,hx=D,Qf=Qp=Qd可求得最小自流高差:2污水干警运行规律首先应当注意的问题是在取水口上游和排水口下游,污水干渠内的流动都可视为明渠均匀流,而在取排水口之间的中间段则为典型的局部非均匀渐变明渠流,甚至可能水流静止,因此不能适用J=i0这一规律.本文将以矩形污水干渠为对象来讨论干渠内的一些问题.2.1排水口下游流量计算对上下游干渠应用均匀流规律J=i0以及谢才-曼宁(Chezy-Manning)公式,可确定干渠正常来流水深hn,即R为水力半径,对矩形干渠,;i0为污水干渠的底坡,可以认为在取排水范围内i0不变.谢才系数也可以采用美国土木工程师协会组织的经验公式,详见文献.现场勘察时,一般用浮标法可测出污水干渠的流量以及正常水深,设计时应该以实测流量和水深作为依据.同时根据(7)式可算得出干渠底坡i0.又不可压缩流体的连续性定理可知,排水口下游流量等于取水口上游流量<Qn,因此下游正常水深也等于上游来流水深hn,而且必须指出的是排水口处水深是取水口处水深的控制因素.当中间段为顺坡流时有Qn=Qr+Qf;当中间段为逆坡流时有Qn+Qr=Qf.2.2中间段水面线的确定若Qn=Qf,则会有Qr=0,即中间段污水静止.可以证明此情况下水面将保持水平,如图4所示,中间段水平向右的力为:中间段向左的力为:由于中间段水不流动,Fy=Fz,可得:因此可以看出Qn=Qf时,中间段水面可以保持水平,取水口处水深等于中间段静止水深hs,水面曲线为实线1.若Qn>Qf,则必将有Qr=QnQf的污水沿干渠顺流而下,对这一局部分均匀渐变流,很明显有hs<hx<hn,水面曲线将为虚线2.(图4中点划线3为假设未取水时的正常水面曲线).2.3非均匀渐变逆坡流段的水面曲线分析若Qn<Qf,则将有Qr=Qf-Qn的回流量在干渠内形成逆坡明渠流动,很明显此时会有hx<hs.形成稳态逆坡明渠流动的充要条件是,在逆坡流动有限长距离后必须出现顺坡或者跌坎或者汇流.这里是汇流导致的逆坡流动.hx最小能可达多少可以通过水面曲线分析得到.如图5所示在非均匀渐变逆坡流段中,取相距dl过流微元,因为是非均匀渐变流,两断面的运动要素相差微小量,列伯诺里(Bernoulli)方程有:两边以dl除以上式得:因为,这就是逆坡流动的曲面微分方程.若知道回流流量Qr,就可以计算得到水面曲线,进而得到取水口处的水深hx.其中.将矩形断面面积、谢才系数、水力半径的公式代入其中,最后得到:直接积分可得:.于是:.可以看出,Qr与hx互为单值隐函数.由式(12)恰好也是矩形渠道在Qr流量下的临界水深,这说明:只有当取水口处的水深达到某一流量下的临界水深时,回流量才达到最大值.中间段的回流均为缓流,该情况下不可能出现急流回流.因此水面曲线必为A2型水面曲线,如图6中实线所示.2.4最大取水量的确定在图6中对1-1、2-2断面伯诺里(Bernoulli)方程有:可得中间段平均水力坡度鉴于取水口处水力坡度J>Jm,故可设取水口处的水力坡度为而进行流量计算.当,可以解出:实际用于工程是可近似认为当i0和L都比较小时,也可以认为因为(12)式已经指出当回流流量达到最大值时,取水口处水深达到临界水深hc,临界水深对应临界流速,矩形渠道的临界流速,因此最大回流量,得到当然也可以由(13)式计算.因此干渠的最大取水量为应当注意的是此时的供热量为式中:tu为污水来流的正常水温(未与回流混合);tp为排水管内污水水温(即取热后的排水温度).3距离结束时的讨论3.1底坡7式如前所述,若要能顺畅地取排污水,必须满足hx>Hie,Hie,为取水口设备的高度,一般工程中取水口设备的高度就是取水管的直径,有Hie=D.若Qd≤Qn,我们要求hs≥D,得到,有若Qd>Qn,我们要求,得到,有干渠底坡由(7)式得到,根据不同地理位置,i0的范围为0.002到0.008.3.2取排水口间距单从取水量上来说,取水口与排水口相距越近取水越顺畅.但是可能会出现取水量达到了要求,而取热量却未达到要求的情况,因为此情况下取热之后的排水会与上游来流相混合,取水量中只有部分污水具有供热潜能.取热量的公式是式中:Qwn为混合取水量中的上游来流水量,tn与tp意义同式(19).所以从取热量的角度来考虑应该规定取排水口的最小间距.笔者所在课题组曾对哈尔滨市某一实际工程污水干渠的水面速度场进行了实际测量,如图7所示.可以看出,取水口与排水口的影响范围分别为4.5Wie和3.5Wie,因此对于工程设计,由下式所确定的最小间距是适用:式中Wie为取水口设备的宽度经过本文的讨论,明确了以下问题:1)污水泵的运行流量是整个系统的控制流量,排水口处水深是中间段干渠的控制水深.2)污水取水量与污水取热量是两个不同的概念.足够的取水量是保证足