氣水沖洗技術在北京市自來水管網建設中的應用

何金勝+鄭少博+肖健

摘要：氣水沖洗技術基于“二相流”理論，通過向給水管道內間歇地加入壓縮空氣，提高管內沖洗水流速度，增強管內水體紊動及管道震動，從而提高沖洗效果。文章通過介紹氣水沖洗技術的理論和工藝機理、工藝系統和工藝特點，對其應用現狀進行分析，然后對應用效果和應用前景進行探討，以期為自來水管網建設項目提供借鑒。

關鍵詞：氣水沖洗技術；壓縮空氣；自來水管網建設；水流速度 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU687 文章編號：1009-2374（2017）06-0165-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.083

新建自來水管道并入管網前需要進行沖洗、消毒等功能性試驗，其中要使用大量的水進行沖洗，才能實現濁度小于1NTU的并網控制指標。水流速越高，對管道內壁的沖刷效果越好。《給水排水管道工程施工及驗收規范》中規定的最小沖洗流速為1m/s。

實踐中，城市管網邊緣管道沖洗時或“小管沖大管”時，由于始端流量小，沖洗時無法滿足規定流速；當一次沖洗管段較長時，水頭損失過大，管道末端無法滿足規定流速；穿越特殊障礙的倒虹吸管段，用常規的“水力沖洗法”很難將沉積于底部的砂石推出；城市核心區域管道沖洗時，流速為1～2m/s，雖可滿足規定，但是沖洗用時長、耗水量大。

對于北京這樣一個對水質要求高又嚴重缺水的大都市，提高沖洗效果，節約用水是城市可持續發展的戰略課題。北京市自來水集團與哈爾濱工業大學合作研發出氣水沖洗技術，提供了一種解決方案。

1 氣水沖洗技術簡介

1.1 理論基礎

（1）氣水沖洗技術是基于“水平管二相流”理論，通過將一定壓力與流量的壓縮空氣按照一定頻率間歇地壓入沖洗管道內，使管道內形成“段塞流”，“段塞流”對去除管壁的附著物和管道內的沉積物起主要作用；（2）三相流理論：水、氣、渣三相混合，增大流體質量，共同作用于管壁；（3）脈沖理論：能量驟聚驟放；（4）局部水擊理論：在氣水混合條件下，利用空氣的可壓縮性，使管道中的水流速度發生變化，形成局部水擊。

1.2 工藝機理

壓縮空氣進入管道后會產生四種作用效果：（1）在壓縮空氣產生的脈沖壓力波作用下，段塞體的流速被逐漸提高；（2）壓縮空氣與水流混合，產生強烈的紊動；（3）脈沖壓力波的沖擊下，管道會產生震動；（4）脈動壓力變化又使管道產生“擴張—收縮”交替的彈性變形。

在第（1）、（2）種作用下會使水流與管壁間的切應力增大，從而提高對管道的沖刷效果；在第（3）、（4）種作用下會使管內附著、沉積物被剝離后隨沖洗水流走，提高了沖洗效果。由于氣水沖洗技術可以產生以上作用效果，所以該技術既可用于新建管道并網沖洗，又可用于在役管道去除“生長環”（即“老管”、“除垢”）的沖洗。

1.3 工藝系統

氣水沖洗工藝系統由空壓機、儲氣罐、脈沖發生器、流態控制儀、進氣通道、消能箱等設備組成，如圖1所示。空壓機、儲氣罐的作用是穩定地提供滿足壓力、體積需要的壓縮空氣；脈沖發生器、流態控制儀、進氣通道的作用是控制進入管道的壓縮空氣脈沖頻率與通道數量；消能箱的作用是減緩出水流速、避免沖壞排水設施。

1.4 工藝特點

（1）水連續地進入管道，沖洗過程中不關閘切斷水流；（2）壓縮空氣的壓力、流量與水壓、水流量相匹配；（3）用計算機控制進氣；（4）采用信息反饋式操作，即通過觀察出水口流態及檢測出水濁度，動態調整沖洗控制參數。其中以出現高速段塞體作為流態控制指標；根據時間-濁度曲線中顯示的濁度變化趨勢作為濁度控制指標。

2 應用現狀

2.1 應用范圍

在北京市，氣水沖洗技術目前主要運用于DN600口徑以上的新建配水管道并網沖洗及在役無內襯鋼管的水質消隱中。

2.2 設備選型

大口徑管道氣水沖洗需要具備排氣量大、壓力穩定、環保等特點的空壓機及儲氣罐。北京市自來水集團擁有多臺阿特拉斯科普柯XAMS1150CD7型空氣機，其排氣量為32m3/min、額定工作壓力8.6bar；并擁有與之配套的10m3儲氣罐。可以完成DN1400以下管道的沖洗。

2.3 參數設定

通過對理論計算及試驗后的結果進行分析認為：采用始端進氣時，一次沖洗管段長度應在5km以內；當一次沖洗長度大于5km時，在管段中間增加進氣點。進氣點確定后，依據來水管道口徑、壓力、沖洗管道口徑、沖洗管段的縱斷位置等條件，計算確定進水量、進氣通道的數量、進氣壓力等初始沖洗參數。

2.4 作業方法

（1）在距離進水閘下游5D～10D處的管道上，開設三通，安裝進氣盤及進氣立管。三通的大小應能容納下所有進氣立管；（2）臨時放水管線直徑不應小于0.5倍的沖洗管道直徑，下游市政排水管道的直徑不宜小于2倍沖洗管道直徑。臨時放水管線及消能箱應墊穩，沖洗時用挖掘機等機械按壓住；（3）管道串水時，將沿線的排氣閥全部開啟放氣，待管道充滿水后再關閉排氣閥；（4）按初始沖洗參數及經驗配氣方案進氣。根據出水口的流態及濁度的信息反饋，動態調整進水量、進氣量、進氣壓力等沖洗參數及配氣方案；（5）待時間-濁度曲線斜率平緩后，即現場實測沖洗水的濁度<10NTU后，逐步減小進水量、進氣量，直至濁度<1NTU；（6）當濁度基本達標后，停止進氣，變氣水沖洗為水力沖洗。

2.5 案例一

某新建給水管道位于北京市城市管網邊緣，管道口徑為DN800，管段長度為2130m，全線有2處約7m深的“倒虹吸”段，沖洗來水管道口徑僅為DN200。由于來水水量太小，無法用常規的水力沖洗法完成沖洗，只能利用氣水沖洗技術，對管道內“泡管”水體進行加速來完成沖洗工作。沖洗參數：DN200進水閘門全開、11個進氣通道、進氣壓力0.6MPa。經過約3.5h的氣水沖洗，水質達標，總用水量約1500m3。

2.6 案例二

北京市市郊某大型企業內部給水管道，建成于1980年，管道口徑DN400，管段長度約9.2km，為無內襯鋼管，停運8年后因企業生產需要再次啟用。此時，管內“生長環”厚達100mm，其最外層為黑褐色絮狀附著物。管道沖洗的目的是去除管內“生長環”，保證后續安全供水。因一次沖洗管段長度達9.2km，故于起點及管段中間位置，分別設置進氣點。沖洗參數：DN400進水閘門全開、3個進氣通道、進氣壓力0.7MPa。經過累計約15h的氣水沖洗，水質達標，總用水量約5000m3。

3 應用效果

（1）水流速度快，能保證管道沖洗質量；（2）節水效果明顯。經統計，節水率約為55%；（3）在水量、水壓不足的情況下也能完成管道沖洗，可以實現“小管沖大管”；（4）可沖洗復雜管路，如較大的倒虹吸管段；（5）既能用于新建管道并網前沖洗，又能用于在役管道沖洗，去除管道的“生長環”；（6）可根據出水流態及水質情況，對加氣壓力、加氣量進行動態調整。

4 應用前景

4.1 節約可飲用清潔水資源

以2015年為例，北京市區給水管網沖洗耗水量約為1300萬m3，按節約60%保守估計，則可節約水資源780萬m3，相當于北京市3～4天的用水量，相當于約4個昆明湖的水量，每年可節約近7000萬元的水費。

4.2 更加有效地保障管網水質

在現有運行的管網中，定期、分區域、有計劃、有步驟地運用該技術進行沖洗，可消除因管道老舊影響水質的隱患，保障管網水質。

（1）為了保證給水管網水質，世界上主要發達國家，如英國，就制定并執行嚴格的沖洗制度，并取得了非常好的效果；（2）針對管網中易發生水質事故的區域，重點進行有針對性的、“手術刀”式的定點沖洗，可大大消除水質事故隱患。

4.3 更加有效地保障用戶水質

為了擴大水質保障的范圍和深度，可對現有的設備進行深度優化，研發更為小型、便攜的設備，將水質保障的范圍延伸至成片的老舊小區、老城區內的胡同以及居民樓里的給水立管，最大限度地保障接近用戶的“最后1km”管網中水質，使合格的自來水最終抵達千家萬戶的家中。

4.4 更加有效地保障重點地區、重點用戶的水質

北京作為全國的政治、經濟、文化中心，黨和國家領導機構的辦公常駐地以及每年在此舉辦數目眾多的重大活動，對水質保障提出了更為嚴格的標準。這就要求在正常用戶的沖洗周期基礎上，加大沖洗的頻次，必能更加有效地保障重點地區、重點用戶的水質。

5 結語

綜上所述，氣水沖洗技術的核心是通過間歇性向管道加入壓縮空氣，產生脈沖壓力波提高沖洗水流速度，從而提升沖刷能力；無論對新建管道或在役管道的沖洗，都能產生很好的效果，符合提升水質、節約用水這一北京供水戰略需要。通過與高校持續合作，利用其科研優勢，能充分調動北京市自來水集團在設備、資金、管理上的龐大資源，不斷創造更大的社會及經濟效益。

參考文獻

[1] 趙洪賓，李欣，趙明.給水管道衛生學[M].北京：中國工業建筑出版社，2008.

作者簡介：何金勝（1982-），北京人，北京市自來水集團禹通市政工程有限公司工程師，研究方向：城市供水技術。

（責任編輯：小 燕）