气水脉冲技术在新机场供水干线冲洗中的应用

气水脉冲技术在新机场供水干线冲洗中的应用

何金胜

北京市自来水集团禹通市政工程有限公司

摘要：冲洗、消毒是给水管道必不可少的功能性试验，长久以来一直采用单向水力法。该方法不仅效率低，耗水量大，其在应对大口径长距离、倒虹吸管段多的管道或“小管冲大管”等低流速冲洗时，往往遇到困难。气水脉冲法能很好地解决以上难题。由于气水脉冲技术尚在发展，以及“二相流”的复杂性和冲洗管道的唯一性，使得该技术需要在实践中不断的探索与工业化，才能产生效益。

气水脉冲冲洗技术在全国范围内有所试点。北京是水资源严重匮乏的城市，且管网情况复杂，非常需要这样的技术。北京市自来水集团引入该技术后，迅速落地推广。目前，已经完成工艺设备系统化、规模化，作业流程化、信息化，应用常态化、制度化；并结合自身管网特点，在实践中进一步发展了该项技术。

本文全面介绍了气水脉冲技术的原理、工艺及在新机场供水干线冲洗中的应用。

关键词： 给水管道、气水脉冲冲洗、气液两相流、工艺、新机场供水干线

绪 论

冲洗及消毒试验是新建给水管道并网通水前最重要的功能性试验。传统的管道冲洗方法为单向水力法——将冲洗管道上游起点与管网勾通，下游通过临时放水管线接入雨水管渠或河流，通过进、出水控制闸，冲洗水流从起点进水口流经管道后从放水口排出。管道中的沉积物与管壁附着物被冲洗水流切割、携带至放水口。以放水口水样的浊度指标判断管道的洁净程度。

单向水力法虽然操作简单，但存在如下缺点：

1）耗水量惊人。《给水排水管道工程施工及验收规范》中规定：“冲洗流速应大于1.0m/s”。当冲洗流速能达1.0m/s时，需要消耗3-5倍管道体积的水才能完成冲洗试验。仅2015年，北京市自来水集团新建管道冲洗总用水量约为1300万m3。

2）冲洗效率低。随着“南水”进京，北京市自来水集团供水范围不断扩大，新建的配水干线多为口径大、距离长、倒虹吸管段多的管道，以及“小管冲大管”的管道。受管网供水压力、供水流量、管道水力损失的限制，有时无法达到适宜的冲洗流速，浊度降至平台区间后，往往连续冲洗数日无明显下降，甚至无法完成冲洗。

水流速度是影响冲洗的关键因素。

气水脉冲法是哈尔滨工业大学赵洪滨教授等人经多年研究，并于2008取得证书的专利技术。该方法利用空气压缩设备产生高压气体，通过气水脉冲发生装置将高压空气以一定的频率、流量充入管道内，在管道内形成气—水脉冲，利用高压、高速的空气推动水流，提高流速，从而提升冲洗效果，减少用水量。经统计气水冲洗法的节水率为54.7%左右。

截止目前，采用该技术累计冲洗管道长度约200km，取得了良好效果。其中，最大冲洗口径达DN1800（广渠路），一次冲洗最长距离达9.5km（新机场供水干线），最大高差达30m（延庆张北柔直换流站）。

一、气水脉冲技术原理

（一）二相流的流态

单向水力法可以被视为单相流，而气水脉冲法是将高压气体充入管道后形成二相流。水平管气液二相流一般分为六种流态：

其中层状流和波状流的管道上部为气体，起不到冲洗管道的作用；塞状流时液相的流速较小，对管道的清洗作用有限；弹状流状态

下，高速高压气体阻隔的液弹能够到达管道顶端，在管内压力的作用下，具有很强的冲洗作用。高压、高速的气弹使液弹加速，在管道中运动一段时间后，液弹的速度与气相速度达到均衡。运动的气体不仅起到了给液体加速的作用，而且可以增加液体的紊动程度，使密度较大的管底沉积物（如粗砂、石子等）被搅动起来，达到更好的冲洗效果。因此在气水脉冲管道清洗过程中起到主要清洗作用的是弹状流。

（二）影响弹状流形成的因素

在实际作业中，以进气流量、进水流量等指标替代表观流速，并引入气水比=进气流量/进水流量这一指标。当气水比过大时，管道中的流态会从弹状流变成环状流，无法产生冲洗作用。

提高进气压力会提高气体表观流速，增强气相对液相的推动作用，但当进气压力过大且进气时间较长时，会使进水流量减小，降低液相表观流速，管道中的流态会变成波状流甚至于层状流；甚至形成气阻无法进水，造成断流。并且，过大的进气压力会造成管道损坏。所以，进气压力也是影响流态的因素之一。

脉冲周期=进气时间+停气时间。脉冲周期是影响弹状流的形成的因素之一。

如果冲洗管道过长，或倒虹吸管段过多，会造成水力损失过大，降低水流速度。所以，管道情况也是影响冲洗流态的重要因素。

综上，进气流量、进水流量、气水比、进气压力、脉冲周期、管道情况等因素会影响弹状流的形成，是实际冲洗作业中的主控项。

二、气水脉冲工艺

（一）工艺系统

（二）工艺参数

由于二相流的复杂性及冲洗管道的唯一性，目前很难精确地计算出气水冲洗的各工艺参数值，只能确定其取值范围，作业前根据经验选取初始参数，过程中通过观察出水情况等方式判断管内流态，对参数进行调整。

进气压力取值范围：0.5Mpa～0.7Mpa；

进水流量通过闸门开度控制：20%～100%；临时放水管线直径不宜小于0.5倍的冲洗管道直径，下游市政排水管道的直径不宜小于2倍冲洗管道直径。放水闸开度与进水流量相对应；

气水比取值范围：0.5～2.0；

设置若干进气通道，根据气水比开启相应数量的通道；

脉冲周期：进气时间5-30s

停气时间5-30s

一次冲洗管段长度在5km以内时，在进水口附近设置进气点；当长度大于5km时，在管段中间增加进气点。

三、工程实例

（一）工程概况

1. 简介

新机场供水干线工程起于南五环外欣宁街现状DN1200给水管道（郭公庄水厂配水干线），而后沿北兴路向东穿越京开高速双星桥，再沿京开东辅路向南至大礼桥南2.5公里处，最后沿永兴河北路至新机场管廊，管道长度约36公里，口径DN1200。全线有高差较大的倒虹吸26处，高差3-15米，平均高差7米。

2. 冲洗分段

1)第一段：起点—小龙河 L=9.5公里 倒虹吸10处 1.9公里 平均深度10米 最深11米；冲洗水排入小龙河。

2)第二段：小龙河—大礼路 L=18公里 倒虹吸7处 1.3公里 平均深度7米，最深处小龙河19米；冲洗水排入永兴河。

3)第三、四段：分别为 L=3.7公里 L=4.8公里。

3. 进气点设置

1)第一段：设2处进气点。1#进气点位于起点进水控制闸下游30m处；2#进气点位于管线中间，距1#进气点约4.5km，距放水口约5km。

2)第二段：设2处进气点。1#进气点位于进水控制闸下游300m处；2#进气点距1#进气点约4km，距放水口约12km。

3)第三、四段：设1处进气点。从略。

（三）冲洗实施

第一段由于一次冲洗距离为9.5km（超过5km），采用2个进气点，既要使管内形成弹状流又要避免进气互相干扰，所以在不同阶段需要使用不同的冲洗参数；第二段一次冲洗距离达18km，受现场条件限制只能设置2个进气点，其中2#进气点至放水口距离达12km，采用气水冲洗效果不佳，后改为单向水力法进行冲洗。

1. 初始参数

进气压力：0.6Mpa；

进水DN1200闸门开度：50%；临时放水管线直径DN600，放水闸全开；经上游超声波流量控制仪监测，进水流量约2400m3/h；液相表观流速0.59m/s；

气水比取值：1.35；

开启1、2、4、7、8、9、12、13、14等9个进气通道；进气流量约3200m3/h；气相表观流速0.79m/s；

脉冲周期：进气时间15s

停气时间15s

2. 参数调整

放水口出现弹状流后，1#进气点关闭13进气通道，保留8个进气通道，进气流量约2400m3/h，气水比为1；2#进气点关闭12、13、14进气通道，保留6个进气通道，进气流量约2000m3/h，气水比为0.83；全段进气流量约4400m3/h，全段气水比为1.83。

4. 冲洗时间

连续2个夜间进行冲洗，首日23:00-4:30、次日23:00-2:30，共9h，其中进气冲洗时间8h。

5. 冲洗过程

（四）冲洗效果

根据安装在上游超声波流量计监测数据统计，本次冲洗用水量约为21000m3，如采用常规水流法冲洗估算用水量为4倍管道体积，计42940m3 。

节水率为51.1%，与统计数值（54.7%）接近。

在实际冲洗作业中，用常规单向水力法冲洗这样的管线是非常困难的，以新机场供水干线第二冲洗段为例， 其全长18km，采用单向水力法冲洗共用时17天，计93.5h。

结 论

本文厘清气水脉冲技术的原理，确定其主控项因素；介绍工艺系统的组成及作用，提出工艺参数的取值范围，简述操作流程及安全规定；结合新机场供水干线第一冲洗段的工程实践，从前期的冲洗部署到设定冲洗作业的各工艺参数，然后呈现冲洗中的过程控制，最后通过浊度—时间曲线、放水口弹状流流态及节水率等指标的汇总分析，说明双进气点气水脉冲技术的作业方法，证明其可行性。通过气水脉冲技术在新机场供水干线冲洗中的应用，为该技术的继续深化发展积累了经验。

由于本人学识有限，本文难免有错误之处，请予以指正，在此先表示感谢。

参考文献

参考文献：[1]《给水管道卫生学》，赵洪宾 李欣 赵明。

[2]《气水冲洗技术在北京市自来水管网建设中的应用》，何金胜 郑少博 肖健

[3]《给水排水管道施工及验收规范》，GB50268-2008