虹吸管在饮水安全工程中的应用
2016-10-17程凌云信阳市水利勘测设计院
□程凌云(信阳市水利勘测设计院)
虹吸管在饮水安全工程中的应用
□程凌云(信阳市水利勘测设计院)
信阳市地处豫南,山地、丘陵、平原、洼地兼而有之,不仅饮水不安全类型较多,而且水源以及取水的形式也呈多样化。文章针对山区饮水工程水源点与用水户落差大的特点,经比选采用虹吸管从水源取水,并对水源选取、取水设计、虹吸管安装高度、施工过程控制等方面进行分析和探讨,确保工程发挥最大效益。
农村饮水安全;水源;取水;虹吸管;施工
两种方案比较见表1。
表1 取水工程设计方案比较表
通过比较分析,可知采用方案Ⅱ虽然可利用水量较少,但是满足水厂全年需水量,施工方便,周期短,工程投资小,关键是运行期费用低,工程交付当地管理后,与方案Ⅰ相比减少了运营成本,水厂盈利空间大,相应可增加工程运行维护资金的投入,有利于工程持续发挥效益。
4 虹吸管的最高安装高度及相应流量计算
虹吸管内最大真空压强一般出现在管道顶部第二个弯管断面处,以水库上游水位为基准面1-1,基准面至弯管中心线的高差为hs,对1-1断面及弯管b-b断面(如图1所示)列能量方程如下:
式中:pa—当地大气压强;γ—水的重度;V1—进口水流速度,与出口流速相比可近似取值为0;hs—基准面至弯管中心线的高差;pb—b-b断面处绝对压强;Vb—b-b断面处水流速度;Hw1-b—虹吸管进口至b—b断面管道水头损失系数之和。
由此可得虹吸管顶部安装高度hs和最大真空值(pa-pb)/γ之间的关系如下:
图1 取水口虹吸管设计图
式中字母含义同上。
从上式可以看出:①当大气压强一定时,顶部安装高度受b-b断面处绝对压强控制。②当顶部安装高度一定时,最大真空值随着流量的增加而增加,当最大真空值受限时,输水流量也相应受限制。③最大真空值随着水头损失增加而增加,当最大真空值受限制时,减少水头损失可相应可增加顶部安装高度。
同样对1-1断面及2-2断面(如图1)列能量方程可求解虹吸管的输水流量,公式如下:
由此可得:
选定输水管道长度l1-2和直径d后,确定局部水头损失系数,即可由公式④求出管道出口流速V2,进而推求虹吸管的输水流量Q;将计算所得Q值带入公式②,可推求最高安装高度hs,此时要注意在一定温度下pb不能小于汽化压强值。
表2 水在不同温度下的汽化压强值表
5 工程施工及质量控制
虹吸管的施工重点是做到整个管道的严密性,管材宜采用无缝钢管,尽量采用现场焊接,减少法兰使用量,焊接时需重点监督钢管下半圈的焊接质量,确保各种阀门无漏气,保持管道的真空度。管道安装完成后,需进行严密性试验,采用压力泵加压7kg/cm2,保压4h以上,注意观察压力表指针有否回落,同时观察所有管道,尤其是焊接处是否向外喷水,如有问题,及时补焊。试运行期间,应观察液气交换箱水位管的水位,水位低于1/2时,及时补充水量,防止管道中真空条件破坏。背水坡斜管出水口蝶阀安装位置标高尽量降低,以增加水头,出水口蝶阀中心点与水库虹吸最低水位水头宜保持2m以上。露天管道应设置管道伸缩节,避免因热胀冷缩造成管道损伤;同时需注意防腐、防冻措施,管道防腐除选用镀锌钢管外,管道外防腐还可采用刷油法或设置防腐层进行处理,管道防冻
可采用聚氨酯发泡及玻璃棉包裹处理,有条件可增设纤维布刷树脂防水处理。
6 结论与建议
该工程利用虹吸管取水,一方面在建设期间降低工程投资缩短施工工期;另一方面在运行期间管理方便,未出任何故障,节省了大量的运营开支,水厂效益明显高于其它类型水厂。
建议在农村饮水安全工程设计过程中,注重以下几点:①水源的选择必须要对当地水资源情况进行充分的调查和必要的勘探,从水质、水量、保证率以及开采难易程度等多方面比较分析。②由于农村供水用户规模偏小,如果出现水厂收入无法维持正常开支的情况,后期运行的服务质量就难以保证,供水安全就存在隐患;因此在取水工程设计中要加强对后期运营成本分析,不仅管护的难度。
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1673-8853(2016)08-0029-03用下水流通过虹吸管最高处流向下游。由于虹吸管内压强接近汽化压强时,液体将产生汽化,破坏水流的连续性,故虹吸管顶部的真空值不能达到最大真空值(即10m水柱),一般工程中虹吸管内允许最大真空值约为7~8m水柱。该方案设计可利用水位区间为221m至213m,相应区间可利用水量为31.20万m3,工程需配置虹吸管(φ160钢管)、镇墩、真空泵以及配套闸阀,施工方便,周期短,工程投资小,水库附近电源即可满足真空泵用电,无电时也可采用灌水法抽真空,且运行期间不产生电费。
2016-05-14
(责任编辑:刘长垠韦诗佳)
程凌云(1980-),男,工程师,主要从事灌区续建配套与节水改造、饮水安全、农田水利、水库除险加固、河道治理等工作。