CN105019538A - 间歇压力流排水系统 - Google Patents

Abstract

间歇压力流排水系统的核心组成要件为压力管道1、定压泄水阀2和自动排气阀5。间歇压力流排水系统先收集污废水，使水位不断升高并蓄能；整个收集阶段不对外排水，但需要对外排气；水位升高到设定的压力后定压泄水阀自动开启，系统随即进入压力排水阶段，此时的水流大多以变水头压力流的形式快速排出。本系统不另外增设动力装置，仅利用水流本身的重力势能就可实现压力排水，不仅具有节省管材降低造价的作用，还因为水流速度大而实现了管道不淤不堵的自净功能，在一定条件下甚至可用来发电，是值得大力推广的节能环保型的排水系统。

Description

间歇压力流排水系统

技术领域

本发明为给排水行业流体传输系统的创新发明。

背景技术

目前，常规的排水系统一般为间歇的无压重力流系统。不采用压力流的原因往往是因为排水的无规律性，排水的过程中时常出现断流的情况，因而无法实现连续或短时连续的压力流排水。按无压重力流系统设计的排水管一般按非满流设计，加上某些污废水的杂质较多，较大，往往重力流排水管道和压力流对比，管径大了许多，数量也多了许多。在建筑排水系统中此现象尤为明显。一栋建筑的底层排出水管道往往多达几十甚至上百条，管径而且均在DN100以上，排水管线的建设成本远远大于给水管线的建设成本。

发明内容

本发明从压力流的技术角度出发，结合排水系统的特点，提出了全新的“间歇压力流排水系统”的解决方案。

间歇压力流排水系统的工作原理。

对排放点的高程来说，经使用过的污废水往往都是具有重力势能的。污废水通过重力流管道零星地、分散地排出，使得每次的排水由于重力势能有限，水流速度小，排水过程往往存在淤积阻塞的问题。这种无压重力流的排水方式没有很好的组织污废水并运用其重力势能。“人多力量大”，从根本上来说，间歇压力流排水系统就是利用这个原理，先通过封闭的管道系统收集水流的重力势能，在能量足够时开启下部阀门，形成间歇的、周期性的、短时连续并且往往是变水头的压力流。从而大大提高水的流速，达到缩小管径、提高管道的自洁能力、减少管道维护量的低碳节能效果。

间歇压力流排水系统的基本组成。

间歇压力流排水系统的核心组成要件为压力管道、自动排气阀和能在一定压力或水位下自动开启的阀门（还要求完成排水后能自动关闭，下称定压泄水阀）。因使用环境的不同，间歇压力流排水系统需要些不同的辅助设施。在污水排水系统中，一般会增加容器。在雨水系统中，一般需要增加大流量雨水斗等等。

间歇压力流排水系统的工作过程。

间歇压力流排水系统将排水的过程分成了两个阶段，一是水量收集阶段。此阶段仅收集污废水，使水位不断升高并蓄能。整个收集阶段不对外排水，但需要对外排气。二是压力排水阶段。水位升高到设定的压力或水位后系统进入压力排水阶段。此时阀门自动开启，水流大多先以变水头压力流的形式快速排出，在管道中的水量不足以支持压力流时，依靠水流的惯性，以非满流的形式继续快速排出。此阶段不仅仅是单纯的排水的过程，还是一个通过进水口不断吸气的过程。

以比较典型的间歇压力流排水系统在建筑雨水系统中的运用为例来说明该系统的工作过程：建筑屋面的雨水经屋面收集后通过大流量雨水斗进入压力管道中，此时下部室外阀门井中的定压泄水阀处于关闭状态。因此，雨水管内的水位不断上升，同时雨水斗和具有较低压力即能排气功能的自动排气阀不断排出管道内的空气，直至达到阀门设定的开启压力或液位时，阀门开启，形成压力流。在来水量达到并稳定在设计流量的情况下，可形成连续的压力流。在来水量未达到设计流量的情况下，水位先不断下降，直至达到非满流的状态时，阀门自动关闭（关闭时机可调），然后系统进入到下一个循环工作周期。

安全稳定运行的间歇压力流排水系统需要控制好以下几个重要的性能参数。

1) 系统的设计流量。

系统的设计流量是指系统在排水阶段能达到的最大流量。系统在补水量充分的情况下，短暂间歇压力排水的模式会转变成较长时间连续压力排水的模式。而这个较长时间的连续压力排水的流量也就是系统的最大排水能力，也就是系统的设计流量。

2) 系统的平均运行周期。

系统中的定压泄水阀在每个运行周期都会启闭一次。运行周期过大，管道内的沉淀物会更多，容易淤塞。运行周期过小，阀门启闭频繁，直接影响阀门的寿命。合适的工作周期才能带来稳定、安全的运行效果。间歇压力流排水系统在雨水系统中运用时，由于持续工作时间一般不长，运行周期对其影响较小。但运用在常年均需不停工作的污水系统中时，此参数尤其重要。

3) 系统工作水头。

系统工作水头即定压泄水阀开启阀门的水头。系统工作的动力来源就是流体自身的势能，在定压泄水阀上游水头很小的情况下，阀门可能无法正常开启，即使可以开启，也可能水流速度很低。因此，足够的工作水头是系统正常工作的先决条件。

4) 系统的容量。 

系统的容量是指间歇压力流排水系统阀门上游的总容积。它是和系统的平均工作周期密切相关的一项参数。系统的单个工作周期包括集水时间和排水时间两部分组成，而这两个时间段均和管道容量密切相关。在管径和工作水头不变的情况下：系统的容量和集水时间、排水时间均成正变的关系。要实现系统工作周期的调整，就需要改变系统的容量。

5) 下部水平段的容量比例。

压力流系统允许管道平坡甚至倒坡。系统的排出管道存在水平段或局部倒坡段时，应控制水平段或局部倒坡段管道容量占其上游全部容量的比例，其目的是确保一次性排出水平段或局部倒坡段的已沉淀杂质。一般来说，水平段或局部倒坡段管道的容量占系统的容量的比例越小越不容易淤塞，系统越安全。这里建议至少水平段或局部小坡度倒坡段的容量不能超过总容量的40%。

核心设备“定压泄水阀”的性能要求。

对于间歇压力流排水系统而言，作为核心部件的定压泄水阀的可靠性是本系统的成败关键所在。其性能必须满足以下要求。

1) 首先，定压泄水阀应能适应各种复杂工作环境。这一点很好理解，复杂的工作环境往往会造成阀门失灵（关闭不严或无法关闭、开启不够及时或不开启）、迅速腐蚀等问题。市场上能用于污废水系统的阀门不多就是这个原因。

2) 其次是定压泄水阀的压力设定精度要满足要求。在压力或液位设定达不到精度要求的情况下，往往造成提前排放或滞后排放的问题。一旦滞后排放超过限度，可能会带来严重的经济损失。

3) 再其次是定压泄水阀应满足调节的要求。调节不仅仅是指压力设定值的调节，还包括关闭阀门时机的调整。压力设定值的调节很好理解，是为了满足一定的工作水头或平均工作周期的要求。关阀时机调整的目的是确保补水水流不至于对阀门的周期性的连续工作造成影响，因为补水水流量很大的情况下，如果阀门不能及时关闭，将造成排气时间不足，可能导致排气不完全，水流也就可能保持大量携气重力流的流态。在系统流量进一步增加仍然不能排除系统内的气体时，系统就可能无法转换成压力流，从而达不到设计流量并可能造成排水安全事故。

4) 最后是定压泄水阀应满足节能环保的要求。本创新系统的意义就在于节能环保。如果系统的综合成本高于传统重力流的综合成本的话，就失去了其存在的意义。因此作为核心设备的定压泄水阀需要具有较低的建设成本和较低使用成本的特点。

自动排气阀的性能要求。

系统的排气和吸气过程是有些区别的：集水阶段的排气过程可通过任意位置设置的排气阀或顶部开口进行排气，而吸气过程只能由系统顶部进水口或专用通气管吸气。市场上大多数的自动排气阀从其工作过程来说，只能说是“呼吸阀”，因为他们不仅在管内正压时排气，还会在管内负压时吸气。本系统要求的自动排气阀应该是只排气，不吸气。具有“呼吸阀”特点的自动排气阀是不符合本系统要求的。顶部吸气的特点也是系统往往需要在上部连接或设置通气管的原因。另外快速排除管道内的气体，也是短时间歇压力流转换成较长时间连续压力流的关键。间歇压力流排水系统在雨水系统中运用时，自动排气阀大流量快速排气的性能尤为重要。

压力管材的性能要求。

压力管材在间歇压力流排水系统中使用除应满足耐腐蚀的要求外，还应满足其防冲刷的性能要求。间歇压力流排水系统的短时最大流速往往会达到7-8米甚至更大，因此管材的防冲刷的性能也不可忽视。

间歇压力流系统的典型应用场合。

系统的创新是为了能更好的运用到工程实践，此系统具有很广泛的运用空间，其中较典型的应用场合归纳如下。

1) 可用于工业与民用建筑中的雨水系统。

间歇流压力排水系统在雨水系统中的运用有点类似来源于欧洲的虹吸雨水系统。其共同特点是流量大，单个雨水斗服务面积大大超过重力流的雨水斗，可采用多斗串联，单管排放的方式设计管网。和虹吸雨水系统不同点在于：间歇压力流系统无需复杂的安装措施。因虹吸雨水产生虹吸的过程是在多个流态 (泡沫流、水塞流、压力流) 之间不停转换，其中泡沫流、水塞流都是携气过程，容易发生管道振动，往往需要安装抗振能力强的弹性支架，因此对管道安装的要求非常高。但间歇压力流雨水系统排水时只有一个压力流的流态，其排气过程不对外排水，或仅在短时间内存在携气排水的情况，一般不会产生振动，按普通压力流管道的技术要求施工即可。

2) 可用于工业与民用建筑中的污水系统。

工业与民用建筑中，往往存在上部有大量的排水设施，但裙房或下部几层较少或没有排水设施的情况，通过将原重力流排水系统在下部较少或没有排水设施的楼层转换成间歇压力流排水系统，可大量减少下部几层的污水立管及底层排出管的数量，从而大量节省管材，降低工程造价，并提升使用效果。

3) 可用于是某些农业、水利市政工程。

定压排放的特点往往也意味着每次的排水为定量排放，往往符合某些农业及某些水利市政工程的需求，可起到定时泄压或水量调配的作用。

4) 可用于给水、其他液体或气体介质的输送系统。

虽然本系统名为间歇压力流排水系统，但同样适用于杂质更少、条件更好的其他液体或气体介质。如给水、石油、液体化工原料、液化气、蒸汽等的输送。本系统还可以做许多改进及变化，以本发明工作原理为基础的所有以间歇流和压力流为特征的排水系统均在本发明的权利保护之内。

间歇压力流排水系统的辅助技术措施。

1) 系统并联运行。两个或两个以上的排水系统可通过下部设置连接管使两套或多套系统并联运行，也可通过在上部设置（溢流）连接管互为备用运行。在非常重要的场合，同一根排出压力水管上还可一用一备，并联设两台定压泄水阀（备用定压泄水阀压力设定值略高），从而进一步加强系统安全性。

2) 套用国家现行设计规范对压力雨水系统的要求，应设置消能设施。由于存在排气过程并可能存在管道淤塞，套用国家现行设计规范对污水重力流排水系统的要求应设通气管和检查口。

3) 在含大量较大杂质的情况下，可在管壁（含重力流排水系统中）上设置能起切割作用的刀片（下称管刀），用于粉碎较大杂质。该做法也可在污水可进入本系统前使用。除了切割粉碎的办法外还可以进行简单的滤网过滤。

4) 套用国家现行设计规范对污水重力流排水系统的要求，立管和排出水平横管连接处设4倍管径以上曲率半径的弯管，以便使沉淀物更好通过。

5) 需要较大系统管道容量及平均工作周期时可通过增大管径或增设小型蓄能容器的做法实现。其中如果采用增设容器的做法时，容器的位置宜设置在进水口，以增加系统水流具有的总势能，并利于排除水流夹带的气体。

和传统重力流排水系统相比，间歇压力流排水系统具有以下有益效果。

1) 间歇压力流排水系统极大地降低了管材的使用量，极大地降低了工程造价。由于压力流的流速大，压力管道的管径相对重力流排水管道更小也更少，更加节能低碳。

2) 压力流管道安装条件好。间歇压力流排水系统从根本上来说是压力传输系统，需要平铺的管段往往无需坡度甚至可局部设倒坡。且系统排气阶段不排水，避免了共振的产生，可按一般压力管道要求安装系统。

3) 由于压力流管道内水流速度大，因此不同于重力流，管道淤积堵塞的情况基本不会发生，大大减少了管道维护的工作量。

附图说明

以下为三个具体实施例的图纸说明。

图1是本发明实施例一的系统示意图。

图2是本发明实施例二的系统示意图。

图3是本发明实施例三的剖面示意图。

图中：压力管1、定压泄水阀2、弯头3、检查口4、自动排气阀5、阀门井6、消能设施7、连接管8、雨水斗9、容器10、管刀11、通气管12、水库13、水轮机14、流道15。

具体实施方式

如附图图1所示，本例一为间歇压力流排水系统在建筑雨水系统中的运用。

先简述其设计及计算过程为：先根据屋面面积及降雨强度确定系统的流量，根据流量选定雨水斗和管径，其中雨水斗必须是大流量、气水分离型。然后根据建筑的特点布局系统。系统布局完成后复核系统设计流量是否满足要求，复核排水阶段的最大流速是否在管材能承受的流速范围内，再然后根据流速的大小选择合适的消能措施。存在平坡水平段或倒坡的系统还需复核水平段的容量比例。

需要重点指出的是：本系统的设计流量为排水阶段平均流量的2倍（见以下分析过程）。排水期间如果补水及时（雨量达到设计流量），间歇排水的模式可以转换成一段较长时间的连续压力排水模式，此时的工作水头允许发生上偏移，提升至屋面雨水斗。

本例一系统图见图1。在雨水系统中运用的基本构成是：压力管1、定压泄水阀2、弯头3、检查口4、自动排气阀5、阀门井6、消能设施7、连接管8、大流量雨水斗9。其特点是：两个单独的系统通过一个水平的（溢流）连接管8相连，形成一个互为备用的整体。下面着重分析一下计算及复核过程。

计算系统设计流量和平均流速是否满足要求。

由于排水阶段是一个变水头的非恒定流，这里提供一个简化的计算过程。首先将系统简化成为变水头长管出流，且先不考虑惯性水头及补水对系统的影响,这样非恒定流的长管出流就可转化为恒定流的长管出流，便于进行分析。

长管出流的计算公式为：H=ALQ²  即：Q=(H/AL)^1/2  对其积分（过程类似孔口的变水头出流）

                  Qdt=-ΩdL

                   dt=-ΩdL/Q

                    t =∫^0 L–ΩdL/(H/AL)^1/2

                    t = 2ΩL /(H/AL)^1/2

                               t=2V/Q.

式中：Q---在变水头时，开始出流的最大流量，也为设计流量。

            t---时间

                       Ω---管道截面积

                        H---水位差（工作水头）

                        A---管道比阻

                        L---管道长度

                        V---系统容积。

不考虑惯性水头的情况下，变水头长管出流的排空时间是恒定流排出相当体积水时间的两倍。如果再加入惯性水头的影响（相当于系统另外附加了一定的水头），长管出流的时间肯定小于2倍的恒定流的出流时间。也就是说系统排水时的平均流量不小于Q/2，平均流速不小于Q/2Ω。

具体实施例一中采用的钢管比阻为267.4，单个系统管长35米，设定进出水位差30米，因此 Q=(30/267.4*35)^1/2=0.0566（立方米/秒），即56.6升/秒。此流量为系统最大流量，也为单个系统的设计流量，满足雨水排放要求，相应其流速为7.22米/秒。平均流量为28.3升/秒 平均流速为3.61米/秒，满足金属管材需小于10米/秒的流速需求。鉴于平均流速远大于经济流速，可考虑检查井内增设小型水轮发电机作为消能措施。由于雨水杂质少，也可考虑在立管内设微型水轮发电机。

复核水平段的容量比例。

水平段长度为5米，总长度为35米，容量比例为14.3%，小于40%，符合要求。 

如附图图2所示，本例二为间歇压力流排水系统在建筑污水系统中的运用。

简述其设计及计算过程为：先根据最高日用水量及平均工作周期确定系统的容量，根据系统容量来选定管径并确定是否需要设置容器。接着根据建筑的特点布局系统。布局完成后可以复核设计流量及最大流速是否符合要求，并根据流速的大小选择合适的消能措施。存在平坡水平段的系统还需复核水平段的容量比例。需要指出的是：出于排水安全考虑，间歇压力流排水系统在污水系统中运用时的工作水头不允许偏移。鉴于此要求，建议系统的设计流量应不小于日最大小时的排水流量的2倍（最大小时的排水流量的2倍和建筑的设计秒流量接近）。并且由于存在较大杂质，作为生活污水管的管径建议一般不宜小于DN100。特殊杂质较少、淤塞可能性不大的情况下，管径也不能小于DN75。

本例特点如下。

1) 由于需要达到适合的排水周期，系统增设容器10，要求容器10为封闭承低压型并为其设置专用通气管（也可就近连接有足够通气能力的通气管）。

2) 两个单独的系统通过一个底部的水平的连接管8相连，形成一个互为备用的整体。其结果是：定压泄水阀在压力设定一致时，两个系统同时启闭，周期一致。定压泄水阀在压力设定有细微差别时，小流量时仅一个系统工作，大流量时两个系统才同时工作。

下面着重分析一下计算及复核过程。

1) 容器大小计算。按最高日用水量（去除了绿化、道路喷洒、管网漏失、中央空调补水等水量）确定排水量，为240立方米/日，平均工作周期为10分钟，则每个系统单次排水量即为：240/24/6/2=0.83立方米，管道容积为：30*0.00785=0.23立方米，所以还需设置0.83-0.23=0.6立方米的容器。

2) 计算设计流量是否满足系统要求及最大流速是否满足管材要求。本例中铸铁管比阻为267.4，单个系统压力管道长30米，设定系统工作水头20米（开启定压泄水阀水位位于容器顶部），因此 Q=(20/267.4*30)^1/2=0.0499（立方米/秒），两个单独系统合计最大流量为99.8升/秒，也为设计流量，其远大于日最大小时排水量25立方米/小时的2倍，满足要求。平均流量为25.0升/秒，最大流速为6.36米/秒，平均流速为3.18米/秒，因此满足金属管材的流速需求。鉴于平均流速较大，可考虑检查井内增设小型水轮发电机作为消能措施。

3) 复核水平段的容量比例。水平段长度为10米，因此水平段容量比例为：10*0.00785/0.83=9.5%，小于40%，符合要求。

如附图图3所示，本例三为间歇压力流排水系统在水利工程中的运用。

某无人值守的小型的水电站，枯水期的进水流量小于发电机的最小流量要求，这时需要白天用电负荷较低时不发电，到晚上用电负荷较高时才开始发电。要实现这一功能要求，采用液位自动控制的方式对来水进行管理是常规的一种选择，但采用间歇压力流排水系统也同样能实现这一目标。

图中水库的实线水位为不排水发电的情况下的枯水期最小来水量日的最高水位，虚线水位为停止发电水位。先确定最小来水量并折算成水位，再确定能够发电的时长。本例可利用的最小水位高差为2米，可发电时长为6小时。设置本系统开启压力至最小来水量日的最高水位，并在来水量最小的几天调整一次水位，使下午5点（即将天黑时)水位达到开启压力并开始发电。其效果是全年都无需再管理进水了（每年只需调整一次水位）。

Claims (10)

1.优选的，间歇压力流排水系统的核心组成要件为压力管道、自动排气阀和定压泄水阀,在不同的使用环境，间歇压力流排水系统需要增设不同的辅助设施。

2.优选的，根据权利要求书1所述：以间歇和压力流为特征的单个排水过程分两个阶段，第一阶段是水量收集（蓄能）阶段，此阶段仅收集水量不对外排水但排气；第二阶段是压力排水阶段，此阶段往往以变水头对外压力排水并吸气。

3.优选的，根据权利要求书2所述的间歇压力流排水系统，其特征在于：有工作压力上偏移条件时，压力排水阶段的工作压力允许上偏移，其结果是：如果补水量足够，短周期的间歇压力流排水可转换为较长周期的间歇压力流排水。

4.根据权利要求书1所述的间歇压力流排水系统，其特征在于：使用在污水排水系统中，一般会在进水口增加容器，其大小由平均排水周期决定。

5.根据权利要求书1所述的间歇压力流排水系统，其特征在于：使用在雨水排水系统中，一般会在进水口增加具有流量大和水气分离特点的雨水斗。

6.根据权利要求书1所述的间歇压力流排水系统，其特征在于：间歇压力流排水系统还适用于其他所有流体环境。

7.根据权利要求书1所述的间歇压力流排水系统，其特征在于：核心组成要件压力管道为普通压力管道，按常规要求设置即可。

8.根据权利要求书2所述的间歇压力流排水系统，其特征在于：排气过程的核心要件自动排气阀只排气不吸气。

9.根据权利要求书2所述的间歇压力流排水系统，其特征在于：压力排水阶段核心要件定压控制阀的设定压力可调，在设定压力下开启阀门，完成排水后关闭阀门且关闭时机可调。

10.根据权利要求书2所述的间歇压力流排水系统，其特征在于：系统排气可通过进水口和任意位置的自动排气阀进行排气，系统吸气只通过进水口吸气。