长距离重力输送热水运行方案优化

按照江南水都、融侨锦江的原设计，温泉管道采用热水池配变频加压泵的供水方式，考虑到双龙山顶水池的位势在79米，为了充分利用这些势能，减少输水系统的运行费用，笔者对江南水都、融侨锦江泵房原设计方案进行了改造。计划近期内为融侨锦江9层以下的低压系统采用重力直供，远期采用现有的变频水泵接力供水。江南水都近期全采用重力直供，远期即满负荷的情况下利用水池内的特备压力罐采用重力、水泵联合供水的方式。

　　为保证能充分地利用高位水池的余压并保证更改的方案能顺利的实行，笔者对管道的输水能力进行了如下核算。

　　双龙水源地：

　　山顶1000吨水池，罗零标高79米，水温72.6度。

　　融侨锦江概况：

　　温泉用户总数：2700户，按每户用水0.15吨/天,用水合计472吨/天；

　　1—9层用户：1277户，用水合计192吨/天；

　　9层以上用户：1423户，用水合计280吨/天；

　　罗零标高：8.4米；

　　连接江南水都1000吨温泉储水池采用DN125钢骨架塑料复合管，长4810米；

　　江南水都、水乡别墅概况：

　　设计温泉用户总数： 户，按每户平均用水0.15吨/天，用水合计2251吨/天；

　　近期用户数：水乡别墅1、2期236户，按每户用水0.3吨/天计用水量70.8吨/天；

　　水都一期1300用户，按每户用水0.15吨/天，合计用水量195吨/天。

　　连接双龙1000吨温泉储水池采用DN200×2钢骨架塑料复合管，长28890米；

　　罗零标高：8.0米

一、近期按14小时供水

　　三个约束条件：

　　（一）流速的限制：管道内的流速通常限制在0.6≤V≤3范围内，最小流速是自清流速，最高流速是为了防止水击破坏管道。在这里要说明的一点是，因为温泉采自地面300米下的深井水，水质清澈无杂质,而且管线全封闭，不存在沿途污染现象，所以这里不受自清流速的限制。

　　（二）温度限制：按设计要求到用户点水温不小于50度，长距离输送会损失水温，按设计在满负荷使用的情况下，热水每公里温降控制在0.4度以下，但当用水量小时，水流速慢，停留在管道内的时间相应变长，今天用的热水实际是昨天就已经在管路上了，这样就会导致水温不符合要求，为了保证水温，这里对最低流速进行计算。

　　温降计算公式：

T_出=（T_进-T₀）×e^-l/(Q×R×C)+T₀

式中：

　　T_出——管道末端出口温度（℃）；
　　T_进——管道始端进口温度取72.6（℃）；
　　T₀ ——地表气温取11.5（℃）；
　　L——计算管道长度（m）；
　　Q——计算管道内流量（kg/h）；
　　R——管材、保温材料、土壤计算热阻（m,h,℃/Kcal）；
　　C——液体比热（Kcal/㎏）

　　热阻R与下列参数有关：

　　保温层厚度DN200取35mm，DN125取40mm

　　保温层导热系数为0.035 Kcal/m,h,℃

　　复合管导热系数为0.44 Kcal/m,h,℃

　　复土层导热系数为1.50 Kcal/m,h,℃（埋深1米）

　　利用计算机进行计算，当双龙-江南水都流量为53吨/小时，江南水都分流19 m3/h（265.8吨/天），江南水都-融侨锦江为34m3/h（476吨/天）时,流至江南水都水池边的温度为61.2℃，至融侨锦江的水温为59.2℃，符合要求。

　　(三) 非负压限制：为避免在管道隆起段有可能产生负压，在这些位置应该进行非负压的核算。

∑i_jL_j≤H1-H’

式中：

　　i_j——水力坡度
　　L_j——管长（m）
　　H1——山顶水池高程72.6m；
　　H’——管段某地段高程。

　　现在对在保证最低温度下的最低流量进行压力核算，根据钢骨架塑料复合管的水力计算公式：

　　v≤1.2m/s时,i =0.000912 v²(1+0.867/v)^0.3/d_j^1.3

　　v≥1.2m/s时,i =0.00107 v²/d_j^1.3

式中：

　　i ——钢骨架塑料复合管单位长度水力损失（Kpa/m）；
　　v——钢骨架塑料复合管管内平均水流速度（m/s）；
　　dj——钢骨架塑料复合管计算内径（m）。

　　计算结果见下表：

　　表内数据代入得剩余压头

H1-H2-1.2∑ijLj=79-8.4-1.2(15.8+12)=37.24m

　　绘管线静压图：金山大桥高程为19.28m

图1

　　由图1可知，全线不会出现负压。

　　所以融侨锦江9层以下的低压系统全部采用直供,节约用电。

二、远期按16小时供水

　　表内数据代入得融侨锦江剩余压头

H1-H2-1.2∑ijLj =14.59329734

　　此时金山大桥上管线最高处出现负压，为保证不断水，供水时间可适当放长，降低管内流速来达到增压的目的，经计算，按17小时供水时间就可以了。

　　而融侨锦江低层用户采用变频泵接力供水,此处不在赘述

　　表内数据代入得江南水都剩余压头

79-8-1.2*37.45=26.06m

　　为充分利用此水头,江南水都1000吨水池增加了压力罐的设计,如图

　　当6层以下低压系统用户在用水低峰期时停泵运行,利用剩余水头供水

　　高峰期时开变频泵接力运行

　　6层以上的中压系统采用变频潜水泵供水

三、结语

　　重力输水的最大优点是管理费用较低，因此在条件允许的情况下应积极采用，重力供水方案的研究实际上就是以经济性为目标函数，其余的作为约束条件，以求出最优的管径和最大的供水能力。

　　起初在水源地也考虑用水泵直接供水，后来经讨论认为重力供水还有两个优点：1、保证管网的压力稳定；2、保证水泵能在最大的效率点运行，不因用水的变化使运行工况偏离最大的效率点。

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