管道特性曲線法在注射水儲存分配系統的應用

馬 寧，江 進，馬鴻志

(1.中電系統建設工程有限公司,北京 100040;2.廣東工業大學,廣東 廣州 510006; 3.北京科技大學,北京 100083)

制藥廠房的注射水儲存分配系統對水質的要求極高。相對于一般建筑的生活生產給水系統,對管道流速、壓力、回水流量、溫度等參數均有著比較嚴格的限定,對系統設計的精度與準確度要求也更高。

常見的注射水儲存分配系統大多采用單管循環,見圖1。該系統最大特點是供水泵兼做循環泵,在系統用水的同時,還必須保證有一定的回水流量以管口出流的形式回到儲罐并保持較高的溫度。而對于一些比較大的系統,由于管道較長,系統壓力損失也較大,在不同工況下各用水點工作壓力差異比較明顯。尤其對于具備一定高差的注射水分配系統,運行調試時的系統回水流量往往偏離設計值較大,調試后的系統在運行中壓力波動較大,穩定性較差。本文通過管道特性曲線法來對其水力特性進行一些分析與總結。

1 問題分析

1.1 系統流量的確定

在系統正常運行時,儲罐呼吸閥處于開啟狀態,儲罐與大氣連通,及時釋放與吸收儲罐內壓力波動,是一個開式系統(系統在用純蒸汽消毒,呼吸閥關閉時是閉式系統)。

系統運行時,儲罐最低液面與管道上任意一用水點壓力關系滿足伯努利方程式(見式(1)):

(1)

其中,Z1為儲罐最低液面至基準面的高差,m;P1為儲罐最低液面處壓力,m;V1為儲罐最低液面處行進流速,m/s;Zm為系統內任意點至基準面的幾何高差,m;Pm為管道內任意點處工作壓力,m;Vm為配水管內流速,m/s;ΔH1-m為儲罐最低液面至管道內任意點的系統總壓力損失(包含沿程和局部),m;H水泵為水泵在對應流量下的有效揚程,m。

根據式(1),可以推導出式(2),式(3):

(2)

P2=Pm-ΔHm-2

(3)

其中,V3為儲罐回水管口處流速,m/s;P2為回水橫管與回水立管連接處工作壓力,m;H1為儲罐最低液面與回水口的幾何高差,m;ΔH1-3為儲罐最低液面至回水口的系統總壓力損失,m;ΔHm-2為最不利點到回水橫管與回水立管連接處的壓力損失(包含沿程和局部),m。

根據式(2)可知:系統運行時水泵的有效揚程全部轉化為:儲罐內回水口與最低液面的高差,管道的壓力損失,回水口速度水頭三者之和。按上述關系繪制出該工況下整個管道系統的特性曲線,再結合選取的水泵特性曲線,就可以找到此時通過系統的流量值[1-4]。

1.2 管道特性曲線的建立

1)在系統無用水,所有閥門開度不變,系統只通過回水流量時,管道的特性曲線唯一,可以根據式(2)直接繪制。

2)在系統用水時,某一時刻同時開啟的用水點個數及位置均具有隨機性,存在多種可能的組合,理論上每一種同時開啟用水點組合就對應一個該時刻的管道特性曲線,這些管道特性曲線的區別是:相同數值的流量點對應的水泵揚程略有不同。

因注射水分配系統大多為單管循環,配水工況類似于管道的沿程泄流。如果能把管道的沿程泄流都轉化為末端出流,就可以得到一條唯一的管道曲線。

假定用水點在管道均勻分布,根據流體力學中沿程均勻泄流全部轉化為末端流出的原理,可將其轉化為全部流量從管道末端流出[5]。即:將沿程均勻流出的流量Qy全部轉化為末端流出的流量Qm(見圖2)。

(4)

推導過程略,詳見《給水工程》(第4版)[6]-5.3章。

即保證同樣流量,沿程均勻泄流所需作用壓頭是末端出流的1/3。利用這個結論,將系統配水管沿程均勻泄流全部轉化到回水口末端出流,就可以“虛擬”出一個管道系統,該系統具有以下特點:1)該管道系統的全部流量均從末端流出,末端流出的流量為設計流量與回水流量之和。2)該管道系統特性曲線與水泵曲線交點對應的流量是原系統通過的流量。

2 管道特性曲線法在工程實例的應用

某制藥廠房,地上3層,制水間位于地下1層。注射水供水泵為衛生級不銹鋼離心泵,水泵的額定參數:Q=20 m3/h,H=0.65 MPa,N=7.5 kW。 采用單管循環供給2層—3層的各工藝用水點后循環回到儲罐。系統管道總長370 m,其中供水段總長度 240 m,回水段長度130 m,最不利用水點Pm與回水立管間管道長度為95 m,管徑均為DN70 mm。系統設計流量:Q供=10 m3/h,回水流量:Q回=10 m3/h。系統最不利用水點至儲罐最低液位高差為17 m,見圖3。

選用的水泵是一臺sls50-200(I)型離心水泵,該水泵的性能曲線見圖4。

2.1 系統無用水,僅通過循環流量時

根據式(2),計算出各流量下的系統沿程損失與局部損失,出口流速水頭,結合儲罐回水口與最低吸水液面的高差,繪制出該工況下系統的管道特性曲線并與水泵曲線相交,見圖5。

可見,該工況下系統的回水流量為30.4 m3/h,此時對應的最不利用水點Pm水壓為13.05 m,系統壓力最低點P2壓力為5.5 m。實際回水流量遠大于設計回水流量[7-9]。

2.2 系統同時通過設計流量和循環流量時

根據GB 50913—2013醫藥工藝用水系統設計規范[10],系統回水流量與設計流量比值宜大于1∶1。本例Q供=10 m3/h,回水流量:Q回=10 m3/h。亦是選取1∶1。

在系統用水時,設計用水量Q供需要轉化到末端回水口流出,回水流量Q回本就是在回水口流出,不需要轉化。根據式(4),利用回水流量與用水流量的比值,可以得到轉化后系統每一個流量點對應的水泵揚程與轉化前每一個流量點對應的水泵揚程的比值(見式(5)):

(5)

其中,λ為轉化后每一個流量點對應的水泵揚程與轉化前每一個流量點對應的水泵揚程比值。

按上述壓力損失比例關系繪制出系統用水達到設計流量時的注射水的管道特性曲線與水泵曲線相交(見圖6)。

可見,該工況下系統內通過的流量為37.1 m3/h,此時對應的最不利用水點Pm壓力為11.9 m,壓力最低點P2處壓力為1.12 m。

計算結果仍是遠大于設計用水流量與設計回水流量之和,并且與僅通過回水流量的工況相比,這種系統的流量更大。這是由于管道特性曲線中逐個流量點對應的壓力損失項減小至原來的2/3,曲線變得相對平緩,相當于減小了系統的阻力系數,所以導致通過流量增大。

2.3 計算結果分析

具有一定高差的注射水分配系統,因選擇水泵揚程時需要滿足最高層最不利用水點的工作壓力[11-12]。相對同層供應的注射水分配系統,水泵揚程一定是相對較大的。

系統回水口的高度與水泵吸水側液面的高度近似一個儲罐的高度(大多在1 m～2 m),這個高度相對水泵揚程占比很小。所以水泵的揚程大部分轉化為系統的壓力損失,系統通過的流量相對較大。在系統上控制閥門全開時,勢必會出現遠大于設計工況的流量。在設計時需要預判這種極限流量。

解決流量過大問題在系統調試中大都可以通過調節回水管段的控制閥來實現:關小閥門開啟度的過程即是增加系統的阻力系數的過程,必然會逐漸減小系統流量直至設定值。在流量減小到設定值后,系統最不利用水點Pm和最低壓力點P2處的壓力亦會隨之回升。

3 結論與建議

1)常見的注射水系統運行時是開式系統。水泵的有效揚程全部轉化為系統的壓力損失,回水口速度水頭與儲罐回水口至最低液面的高程[13-14]。管道特性曲線法可以確定系統運行的最大流量、最不利點壓力等參數且具有足夠的精確度。2)具有一定高差的注射水儲存分配系統,因水泵揚程相對較大,系統調試時往往會出現遠大于設計工況的回水流量,并可能造成局部配水段用水點失壓。此時必須要增加系統阻力系數或適度減少水泵揚程以達到控制流量的目的。措施包括:關小回水管段的控制閥門;減小回水段的管徑;利用變頻技術降低水泵的輸出壓力等等。從流量調節的范圍看,閥門調節優于水泵調速;從系統節能方面看,水泵調速優于閥門調節[15-16]。3)系統配水管段各用水點剩余壓力取決于配水管段與回水管段的壓力損失值占比,設計時須保證回水管段部分的壓力損失相對整個系統壓力損失具備一定的占比以上(筆者推薦回水段壓力損失與配水段壓力損失比值宜大于1∶1),否則易導致配水管段各用水點壓力偏低。增加回水段的壓力損失的措施有:關小回水段控制閥門開啟度;回水口設置噴淋裝置;減小回水段的管徑或適當增加回水段管道長度[17]。4)最高層回水管與回水立管連接位置是系統壓力的最低點。該點壓力P2為最不利用水點工作壓力減去從最不利點到該點的壓力損失,并隨回水流量增大而減小。系統設計不妥,運行不穩定導致回水流量增大,或者水泵出口壓力突然減小時,P2壓力會減小甚至出現負壓,當減小至對應溫度的飽和蒸氣壓力時即發生汽化。設計時需要注意校核該點壓力。改善措施包括:適度提高系統壓力并盡量減小最不利用水點Pm與P2點的管道長度,且該部分管道宜與配水管道管徑一致,不宜變徑。5)對于設置了回水口噴淋裝置的注射水儲存分配系統,在應用管道曲線法時,需要根據噴淋裝置本身的出流量公式:Q=f(P),將出流量轉化為末端壓力,替換前文所述的速度水頭項。回水口噴淋裝置本身相當于一個局部阻力很大的管道配件。設置噴淋裝置不僅可以避免形成滋生微生物的死角,確保儲罐內表面隨時處于濕潤更新狀態,還可有效分配回水段與配水段壓力損失,對穩定用水點的壓力,改善系統水力條件也是很有利的。