污水熱能利用工程取排水設(shè)計(jì)

污水熱能利用工程取排水設(shè)計(jì)

城市原有廢水是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)良低溫?zé)岷涂芍淠茉?。從可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的角度來看，我們必須加快城市原有廢水的回收進(jìn)程。然而，城市原有廢水的能耗利用是一項(xiàng)新技術(shù)，許多問題必須盡快解決。廢水收集和排放是項(xiàng)目成功的第一步。因此，污水處理廠的設(shè)計(jì)和施工在廢水排放和污水泵房的設(shè)計(jì)和施工中發(fā)揮著非常重要的作用。如果系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不正確，污水泵的氣蝕和損壞通常是不可靠的。一般來說，泵的吸水口通常不是真空的，這一特殊要求只能通過特殊設(shè)計(jì)來滿足。其次，由于供水量不足，取水量不足，最終設(shè)備凍結(jié)、系統(tǒng)不穩(wěn)定，水泵站頻繁啟動(dòng)等。筆者的課題組承擔(dān)的哈爾濱市太古新天地3.2萬平方米原生污水源熱泵系統(tǒng)供暖工程中至為關(guān)鍵的不是污水堵塞等問題,而恰恰是如何安全而足量地從污水干渠取排水.該工程的疑問通過研究都得到了較好的解答.污水冷熱源工程中的取排系統(tǒng)如圖1所示.該取排系統(tǒng)有幾個(gè)非常明顯的特點(diǎn)必須給與重視:污水在完成取熱之后將在取水口下游不遠(yuǎn)處排回干渠.污水的回排將對(duì)上游造成影響,不同于一般的明渠橫向取水.這是一個(gè)開式系統(tǒng).在污水干渠內(nèi)污水直接與大氣接觸,存在自由液面.不同于通常的閉式系統(tǒng).有壓流與無壓流并存.在污水干渠內(nèi)污水靠重力流動(dòng),遵循明渠無牙流動(dòng)的規(guī)律;在取水管內(nèi)污水靠污水泵做功流動(dòng),遵循管道有壓流動(dòng)的規(guī)律.污水干渠、污水泵、管道設(shè)備三者構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一系統(tǒng),流量分配相互耦合,都不能孤立地考慮.問題的特殊性決定了它的復(fù)雜性和價(jià)值.如何確定取水管道的最小自流高差、取排水口的最大與最小距離、污水干渠的最大取水量等是本文要重點(diǎn)討論的問題.1不同流量變化的影響因素1.1污水流量的確定決定污水設(shè)計(jì)取水量大小的因素主要有:供熱量Qh與換熱溫差Δt:污水流動(dòng)最小管徑與最小流速.為了防止管道嚴(yán)重堵塞,必然存在最小管徑與最小流速的概念,于是:出于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的水力穩(wěn)定性與可調(diào)節(jié)性考慮,也應(yīng)該保證設(shè)計(jì)流量不小于某以下限流量Qd3.污水設(shè)計(jì)取水量應(yīng)當(dāng)取三者中的最大值.對(duì)供熱(冷)量較大的冷熱源系統(tǒng),一般取Qd=Qd1即可滿足所有要求.1.2污水泵qp的確定污水泵的運(yùn)行流量Qp由污水泵自身的性能和管路特性共同決定.如圖2所示.可以看出污水泵運(yùn)行流量是確定的,且不受其他因素影響,即它與干渠正常流量Qn,取水管自流量Qf無關(guān).相反,中間段的分(回)流量Qr,自流量Qf應(yīng)當(dāng)由為污水泵流量Qp所決定.因此污水泵的運(yùn)行流量Qp才是整個(gè)系統(tǒng)的控制流量.系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)通常讓污水泵的額定流量等于設(shè)計(jì)取水量,在運(yùn)行時(shí)也可以進(jìn)行定流量質(zhì)調(diào)節(jié).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,因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該保證污水泵的吸水管能完全靠重力自流來滿足流量要求,即必須有Qfmax≥Qp.如圖3所示,由于是從污水干渠側(cè)面取水,不受干渠水流動(dòng)壓影響,可以只考慮靜壓作用.取0-0、1-1斷面列伯諾里(Bernoulli)方程有:式中:α為動(dòng)能修正系數(shù);ζi為各局部阻力系數(shù);hx為取水口處水深;hm為取水管自流高差;hb為水泵前靜壓水頭.令取水管阻抗:容易看出阻抗是一個(gè)確定的常數(shù),因此有:1.4集水管的流量平衡當(dāng)泵前靜壓水頭hb=0時(shí),自流量Qf達(dá)到最大值:當(dāng)污水泵的運(yùn)行流量Qp<Qfmax時(shí),將會(huì)有泵前靜壓水頭hb>0,從而使得自流作用壓頭H=hx+hm-hb減小,最終結(jié)果是使得Qp=Qf而達(dá)到流量平衡.這就是水泵前靜壓水頭hb的調(diào)節(jié)作用,也是水泵運(yùn)行流量之所以能作為整個(gè)流量匹配系統(tǒng)的控制因素的原因.污水來流在取水口附近由于分流,將會(huì)出現(xiàn)跌落現(xiàn)象,使得取水口處水深小于來流正常水深,即hx<hn.取水口處水深hx有中間段的分(回)流量決定.但是取水口處水深hx大于取水口設(shè)備的高度Hie即hx>Hie是必須滿足的,否則自流吸水管內(nèi)會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)的攜氣流,對(duì)污水泵造成嚴(yán)重傷害.一般工程中取水口設(shè)備的高度就是取水管的直徑,有Hie=D.由式(4)可以看出,為了確保無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污水干警運(yùn)行規(guī)律首先應(yīng)當(dāng)注意的問題是在取水口上游和排水口下游,污水干渠內(nèi)的流動(dòng)都可視為明渠均勻流,而在取排水口之間的中間段則為典型的局部非均勻漸變明渠流,甚至可能水流靜止,因此不能適用J=i0這一規(guī)律.本文將以矩形污水干渠為對(duì)象來討論干渠內(nèi)的一些問題.2.1排水口下游流量計(jì)算對(duì)上下游干渠應(yīng)用均勻流規(guī)律J=i0以及謝才-曼寧(Chezy-Manning)公式,可確定干渠正常來流水深hn,即R為水力半徑,對(duì)矩形干渠,;i0為污水干渠的底坡,可以認(rèn)為在取排水范圍內(nèi)i0不變.謝才系數(shù)也可以采用美國土木工程師協(xié)會(huì)組織的經(jīng)驗(yàn)公式,詳見文獻(xiàn).現(xiàn)場(chǎng)勘察時(shí),一般用浮標(biāo)法可測(cè)出污水干渠的流量以及正常水深,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該以實(shí)測(cè)流量和水深作為依據(jù).同時(shí)根據(jù)(7)式可算得出干渠底坡i0.又不可壓縮流體的連續(xù)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來流水深hn,而且必須指出的是排水口處水深是取水口處水深的控制因素.當(dāng)中間段為順坡流時(shí)有Qn=Qr+Qf;當(dāng)中間段為逆坡流時(shí)有Qn+Qr=Qf.2.2中間段水面線的確定若Qn=Qf,則會(huì)有Qr=0,即中間段污水靜止.可以證明此情況下水面將保持水平,如圖4所示,中間段水平向右的力為:中間段向左的力為:由于中間段水不流動(dòng),Fy=Fz,可得:因此可以看出Qn=Qf時(shí),中間段水面可以保持水平,取水口處水深等于中間段靜止水深hs,水面曲線為實(shí)線1.若Qn>Qf,則必將有Qr=QnQf的污水沿干渠順流而下,對(duì)這一局部分均勻漸變流,很明顯有hs<hx<hn,水面曲線將為虛線2.(圖4中點(diǎn)劃線3為假設(shè)未取水時(shí)的正常水面曲線).2.3非均勻漸變逆坡流段的水面曲線分析若Qn<Qf,則將有Qr=Qf-Qn的回流量在干渠內(nèi)形成逆坡明渠流動(dòng),很明顯此時(shí)會(huì)有hx<hs.形成穩(wěn)態(tài)逆坡明渠流動(dòng)的充要條件是,在逆坡流動(dòng)有限長距離后必須出現(xiàn)順坡或者跌坎或者匯流.這里是匯流導(dǎo)致的逆坡流動(dòng).hx最小能可達(dá)多少可以通過水面曲線分析得到.如圖5所示在非均勻漸變逆坡流段中,取相距dl過流微元,因?yàn)槭欠蔷鶆驖u變流,兩斷面的運(yùn)動(dòng)要素相差微小量,列伯諾里(Bernoulli)方程有:兩邊以dl除以上式得:因?yàn)?這就是逆坡流動(dòng)的曲面微分方程.若知道回流流量Qr,就可以計(jì)算得到水面曲線,進(jìn)而得到取水口處的水深hx.其中.將矩形斷面面積、謝才系數(shù)、水力半徑的公式代入其中,最后得到:直接積分可得:.于是:.可以看出,Qr與hx互為單值隱函數(shù).由式(12)恰好也是矩形渠道在Qr流量下的臨界水深,這說明:只有當(dāng)取水口處的水深達(dá)到某一流量下的臨界水深時(shí),回流量才達(dá)到最大值.中間段的回流均為緩流,該情況下不可能出現(xiàn)急流回流.因此水面曲線必為A2型水面曲線,如圖6中實(shí)線所示.2.4最大取水量的確定在圖6中對(duì)1-1、2-2斷面伯諾里(Bernoulli)方程有:可得中間段平均水力坡度鑒于取水口處水力坡度J>Jm,故可設(shè)取水口處的水力坡度為而進(jìn)行流量計(jì)算.當(dāng),可以解出:實(shí)際用于工程是可近似認(rèn)為當(dāng)i0和L都比較小時(shí),也可以認(rèn)為因?yàn)?12)式已經(jīng)指出當(dāng)回流流量達(dá)到最大值時(shí),取水口處水深達(dá)到臨界水深hc,臨界水深對(duì)應(yīng)臨界流速,矩形渠道的臨界流速,因此最大回流量,得到當(dāng)然也可以由(13)式計(jì)算.因此干渠的最大取水量為應(yīng)當(dāng)注意的是此時(shí)的供熱量為式中:tu為污水來流的正常水溫(未與回流混合);tp為排水管內(nèi)污水水溫(即取熱后的排水溫度).3距離結(jié)束時(shí)的討論3.1底坡7式如前所述,若要能順暢地取排污水,必須滿足hx>Hie,Hie,為取水口設(shè)備的高度,一般工程中取水口設(shè)備的高度就是取水管的直徑,有Hie=D.若Qd≤Qn,我們要求hs≥D,得到,有若Qd>Qn,我們要求,得到,有干渠底坡由(7)式得到,根據(jù)不同地理位置,i0的范圍為0.002到0.008.3.2取排水口間距單從取水量上來說,取水口與排水口相距越近取水越順暢.但是可能會(huì)出現(xiàn)取水量達(dá)到了要求,而取熱量卻未達(dá)到要求的情況,因?yàn)榇饲闆r下取熱之后的排水會(huì)與上游來流相混合,取水量中只有部分污水具有供熱潛能.取熱量的公式是式中:Qwn為混合取水量中的上游來流水量,tn與tp意義同式(19).所以從取熱量的角度來考慮應(yīng)該規(guī)定取排水口的最小間距.筆者所在課題組曾對(duì)哈爾濱市某一實(shí)際工程污水干渠的水面速度場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量,如圖7所示.可以看出,取水口與排水口的影響范圍分別為4.5Wie和3.5Wie,因此對(duì)于工程設(shè)計(jì),由下式所確定的最小間距是適用:式中Wie為取水口設(shè)備的寬度經(jīng)過本文的討論,明確了以下問題:1)污水泵的運(yùn)行流量是整個(gè)系統(tǒng)的控制流量,排水口處水深是中間段干渠的控制水深.2)污水取水量與污水取熱量是兩個(gè)不同的概念.足夠的取水量是保證足