CN202082620U - 一种循环管网水质综合模拟试验系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种循环管网水质综合模拟试验系统，包括供水子系统和独立循环管网子系统，供水子系统包括带进水口、出水口和药剂注入口的供水水箱；独立循环管网子系统为包括通过管道串联的主循环泵、电磁流量计和高位补水排气水箱的回路；并且，回路连有可与准封闭循环切换的用于实现封闭循环的第一管道支路、用于为回路补充水的补水系统、用于排出回路中水的放空支路和水质监测系统。该独立循环管网子系统的管道上还连有药剂加注系统。该循环管网水质综合模拟试验系统利用各部件相互配合，具有仿真度高、更接近实际市政给水管网系统的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及饮用水给水管网的试验模拟系统技术领域，特别涉及一种循环管网水质综合模拟试验系统。
背景技术
给水管网是城市给水系统中的重要组成部分，其作用是把经水厂净化后的符合国家生活饮用水水质标准的水输送至用户终端。我国多数自来水厂出水水质的各项指标都能达到或优于国家饮用水水质标准，但通过管网输送至用户时，往往达不到标准甚至危及用户身体健康。资料表明，自来水厂的水从出厂到用户，水质呈现明显降低的趋势，主要表现在铁、锰、色度、浊度、细菌总数等在水中的含量增加，甚至超过国家标准，这在国内很多水厂的实际运行中都有所发现。此外，尽管水处理技术的飞速发展充分保证了处理后水质的安全、卫生，但是，管网中的二次污染问题已成为影响出水水质无法达标的主要因素，是水质研究工作和水质处理研究工作的重点。
给水管网就像一个敏感的、动态的和具有自身特性的巨大反应器，水由于在管道内滞留时间过长，本身不断受到再次污染，在管道内发生着复杂的物理、化学及生物学变化，导致管道内卫生状况的下降。根据《城市供水行业2000年技术进步发展规划》中对国内34个主要城市管网水质资料进行统计，地表水水厂出厂水基本稳定的占21％，腐蚀性的占50％，轻微结垢的占29％。地下水水厂出厂水基本稳定的占50％，有腐蚀性的占30％，轻微腐蚀性的占20％。对占全国总供水量42.44％的36个城市调查，出厂水平均浊度为1.3度，而管网水增加到1.6度；色度由5.2度增加到6.7度；铁由0.09mg/l增加到0.11mg/l；细菌总数由6.6cfu/ml增加到29.2cfu/ml。某城市发现供水管中管垢的厚度达16～20mm，赤色，有腥味，含16种金属元素，检出铁细菌、埃希氏大肠杆菌等6种微生物(详见秦秋莉、陈景艳，我国城市供水安全状况分析及保障对策研究，水利经济，2001.5)。根据上海、天津等市定期测定管网粗糙系数统计，发现无防腐措施的管道输水能力已降低了1/3以上。管道结垢、输水水质恶化，管道输水能力下降已成为城市供水管网普遍存在的现象。
随着我国城市建成区的扩大和城乡一体供水方式快速推进及社会的进步和人民生活水平的提高，居民对于饮用水的要求已经不再仅仅局限于压力和水量的保障，而是更多的关注水质问题，城市供水管网的水质稳定及安全问题日趋迫切。饮用水水质不仅要在出厂时达标，而且需要在用户水龙头处达标，符合饮用水水质标准。而作为饮用水输送中最重要，也是最敏感的环节-给水管网的卫生则是保障最终龙头出水水质安全的前提和基础。研究管网内水质变化机理，提出并验证相关应对技术措施，是确保管网内部卫生和保障最终管网末梢出水水质安全的关键所在。
开展以上研究工作，管网试验研究是基本手段，可以通过三个层次的试验手段来实现。最直接的是开展现场试验，但存在外部条件不可控，很难开展针对性的定量研究的问题，更为关键的是试验管网涉及千家万户，不能轻易投加试验的药剂；最简单的是进行室内烧杯试验或搭建简单的局部反应器试验，但这类试验水样少，不能做长时间循环试验，与实际管道的真实工况比，存在严重的试验失真问题。因此国内外不少研究机构均倾向采用循环管网模型的试验装置对真实管网进行高仿真模拟，提供全景展示和分析。
在现有技术中，国内外的循环管网水质模拟试验系统均采用开式循环方式，即循环管道回路中连接有一个低位蓄水池，水流经管路后流入蓄水池，然后通过提升泵，将水提升到管路系统中进行循环。该蓄水池即是试验原水调配水池又兼有排气作用，但由于每次循环水样流经蓄水池时均与空气大面积接触，会影响循环水质；并且原水水池参与管网循环试验，水流条件与实际管网存在一定差异，导致模拟效果与真实管网存在较大偏差。而且，整个循环管网试验系统管路循环设计很简单，循环距离较短，因此存在着模拟失真、可控参数少、水质研究的范围窄、难以研究工况及内部生境等技术缺陷，并不是实质意义上的循环管网水质综合模拟试验系统。此外，现有技术的开式循环管网水质模拟试验系统也无法对循环管路内满管流加压控制，不能模拟真实的给水干管管网的有压运行环境。
发明内容
本实用新型提供了一种循环管网水质综合模拟试验系统，在整个循环管网水质综合模拟试验系统中，各部件相互配合，仿真度高、可模拟实际的给水干管管网系统。
一种循环管网水质综合模拟试验系统，包括供水子系统以及与供水子系统连接的独立循环管网子系统；
所述的供水子系统包括带进水口、出水口和药剂注入口的供水水箱；
所述的独立循环管网子系统为包括通过管道串联的主循环泵、电磁流量计和高位补水排气水箱的回路；所述的回路设有进水口，所述的回路的进水口与供水水箱的出水口通过带第一阀门的管道连通；
所述的回路在靠近高位补水排气水箱的进水口和靠近高位补水排气水箱的出水口的位置分别设有第二阀门和第三阀门；
所述的回路连有与由第二阀门、高位补水排气水箱和第三阀门串联组成的支路并联的带第四阀门的第一管道支路、用于为回路补充水的补水系统、用于排出回路中水的放空支路和用于监测回路中水的水质的水质监测系统；
所述的补水系统包括串联的实验水加注罐和实验水加注泵，所述的实验水加注泵的出口与回路连通，所述的实验水加注罐的入口与供水水箱的出水口连通；
所述的供水水箱和高位补水排气水箱的顶面接近于同一水平面，所述的水平面位于所述的循环管网水质综合模拟试验系统的水平最高位置，所述的主循环泵的放置位置低于供水水箱和高位补水排气水箱的放置位置；
所述的高位补水排气水箱包括箱体和位于箱体内的活塞状浮盖，所述的活塞状浮盖与箱体内壁之间留有空隙；所述的活塞状浮盖的密度小于水的密度。
所述的供水水箱为循环管网水质综合模拟试验系统提供水源，所述的供水水箱的出水口一般位于供水水箱的底部，即供水水箱的底面或者靠近供水水箱底面的供水水箱的侧壁，这样，供水水箱中的水能更好地流动到独立循环管网子系统中，更好地为独立循环管网子系统供水。供水水箱的水源，一般采用自来水通过供水水箱的进水口直接供水或者储水车运来后通过供水水箱的进水口直接灌入供水水箱，也可以根据试验需要，通过药剂注入口投加药剂进行按需调配，得到所需的供水水源。
为了让供水水箱中的水不受污染和顺利地将供水水箱中的气体排出，所述的供水水箱的顶部盖有面积略大于供水水箱顶面的供水水箱防尘盖；所述的供水水箱的侧壁顶部设有用于排气的通孔。
所述的供水水箱连有带混合循环泵的第二管道支路，所述的第二管道支路的两端分别与供水水箱连通；所述的第二管道支路的两端之间最好存在高度差，如第二管道支路的一端设在供水水箱底面或者靠近供水水箱底面的供水水箱侧壁，第二管道支路的另一端设在水箱顶面或者靠近水箱顶面的供水水箱侧壁。这样，供水水箱的第二管道支路的两端之间就有一定的高度差，在混合循环泵的作用下，供水水箱中的水从第二管道支路的一端(即管道支路的低端)出来，再从第二管道支路的另一端(即管道支路的高端)进去，使得供水水箱内的水进行充分搅拌，最终混合均匀。
所述的主循环泵为独立循环管网子系统的管道中的水循环运行提供动力，使得独立循环管网子系统的管道中的水能有稳定的流速，优选地，主循环泵的底面位于循环管网水质综合模拟试验系统的最低水平面，以便独立循环管网子系统的管道中充满来自供水水箱的试验水时，主循环泵内腔体也能充满水，启动主循环泵为独立循环管网子系统的管道中的水提供动力。流速的控制采用主循环泵的变频控制完成，流速的测量可采用电磁流量计。
所述的放空支路由放空阀和系统放空管组成，把做完模拟试验后的循环管网水全部排出，然后通过供水水箱再重新灌水，开始新的试验。
所述的补水系统中可采用串联的实验水加注罐和实验水加注泵，同时还可以设置电磁流量计对补水量进行反馈，该补水系统主要是在初始化时可提供动力，使得进入循环管网子系统高位排气补水水箱中的试验原水液面高于供水水箱液面，这样供水水箱中的试验原水可大部分进入独立的循环管网子系统中，节约原水损耗。当水质监测系统由于监测采样的需要，造成独立循环管网子系统的管道中的水减少时，鉴于采样的水是非常少的，可以通过高位排气补水水箱中的参与循环的蓄水完成补水，当循环管网子系统的管道水量补水量比较大时，即循环管网子系统的管道进行排气后需要补充较大量的水或者高位排气补水水箱的水位比较低时，可以采用补水系统进行补水，使得在高位排气补水水箱始终有蓄水，保持在合适水位，防止空气进入到循环管网子系统的管道中。
虽然国内外管网模拟系统中设有水箱以排除管路内的空气，避免循环回路内出现真空进而产生失稳和振动。但是现有的水箱为敞口的箱体，这种结构的水箱将不可避免使得水样在循环过程中有与空气接触的机会，引起每次循环中水质性质的改变，导致管网模拟的仿真度下降，使研究结果出现较大的偏差。为此，在本实用新型循环管网水质综合模拟试验系统中，独立循环管网子系统中的高位补水排气水箱设有与底面形状相同的活塞状浮盖，所述的活塞状浮盖水平放置于高位补水排气水箱内，并与高位补水排气水箱内壁之间留有空隙，所述的活塞状浮盖的密度小于水的密度，这样活塞状浮盖就能在高位补水排气水箱中的水位上升或下降做活塞式运动，在确保排空管路内气体的同时尽可能的减少循环水流与管外空气接触的机会，保证模拟管路水质与真实管网一致。对密度的要求主要是为了使活塞状浮盖能上浮，所述的密度是指活塞状浮盖整体的密度，并非是活塞状浮盖的材质的密度，如活塞状浮盖可以采用由薄不锈钢板制成的中间充满空气的封闭式活塞式浮盖，这样的活塞式浮盖也能浮在水上，满足本实用新型对于活塞状浮盖的密度要求。
所述的高位补水排气水箱，其壁面与底面垂直，是一个任一横截面的形状和面积都相等的立体。这样更方便形状与横截面相似、面积略小于横截面的活塞状浮盖能在竖直方向上做活塞运动，同时，所述的高位补水排气水箱的顶部盖有面积略大于高位补水排气水箱顶面的高位补水排气水箱防尘盖，所述的高位补水排气水箱顶面防尘盖可以通过高位补水排气水箱箱体获得有效的支撑。所述的高位补水排气水箱的侧壁顶部设有用于排气的通孔，这样，既能大大减少水样在循环过程中与空气接触的机会，又能将独立循环管网子系统中的循环水中的空气顺利排出。优选的，可以选择高位补水排气水箱的箱体为圆柱形。
为了能更好地排除独立循环管网子系统循环管路中的水中的气泡，所述的高位补水排气水箱的出水口位于高位补水排气水箱的底部，即位于接近高位补水排气水箱底面的高位补水排气水箱侧壁或者高位补水排气水箱底面，所述的高位补水排气水箱的进水口高于高位补水排气水箱的出水口且低于高位补水排气水箱箱高二分之一的位置。这样，高位补水排气水箱的进水口就高于高位补水排气水箱的出水口，独立循环管网子系统的管道中的水流过的时候就有一定的落差，这样气泡由于密度小，就会上升，易排出。
所述的回路在靠近高位补水排气水箱的进水口和靠近高位补水排气水箱的出水口的位置分别设有第二阀门和第三阀门；所述的回路连有与第二阀门、高位补水排气水箱和第三阀门串联组成的支路并联的带第四阀门的第一管道支路；基于上述的设计，本实用新型通过各阀门之间的开闭就能实现准封闭循环与封闭循环之间切换，当关闭第二阀门和第三阀门，开启第四阀门，就可以实现完全的封闭循环，并且，第四阀门为过程调节阀，可在主循环泵频率不变的情况下，通过开度调节控制封闭循环回路中的“满管流”压力，可以模拟实际管网运输的水质运输的不同水压。
所述的独立循环管网子系统为多个且多个独立循环管网子系统的管道相同或不同；所述的独立循环管网子系统的管道为球墨铸铁管、聚乙烯管(PE管)、铜管或者不锈钢管。独立循环管网子系统的管道就是循环管网中的水流动的载体，也是运输环境，由于不同的材质的管道对水的二次污染的程度不一样，具体发生的化学、物理和生物变化也会不同，因此，本实用新型选取了在实际管道中常用的球墨铸铁管、PE管、铜管、不锈钢管等作为独立循环管网子系统的管道，以研究不同的管道对运输管网内水质变化的影响，提出相关的应对技术措施，并验证相关应对技术措施的有效性。
本实用新型中的供水子系统可以与多个独立循环管网子系统相连，多个独立循环管网子系统均可独立进行试验，如一个供水子系统与四个独立循环管网子系统相连，即一个供水子系统连接独立循环管网子系统的管道为球墨铸铁管的独立循环管网子系统、独立循环管网子系统的管道为PE管的独立循环管网子系统、独立循环管网子系统的管道为不锈钢管的独立循环管网子系统和独立循环管网子系统的管道为球墨铸铁管的独立循环管网子系统。
为了监测独立循环管网子系统的管道中的水质情况，独立循环管网子系统的管道接有用于监测回路中水的水质的水质监测系统，独立循环管网子系统的管道上取样用于水质监测的水量来说，是非常少的，几乎可以忽略不计，一般通过高位排气补水水箱中的蓄水就可以完成补水(特殊试验情况下，独立循环管网子系统的管道内的补水需求量超过高位排气补水箱中的可提供的最大补水量，还能通过补水系统及时地补水)。在补水需求量比较大的情况下，可以通过补水系统及时地补水。因此，一般情况下，水样经过水质监测系统可以直接排入地沟。但是为了尽量减少采集水样的水量对独立循环管网子系统的管道中水的影响；所述的水质监测系统由水质监测循环管道支路和水质监测不可循环管道支路组成；所述的水质监测循环管道支路包括并联的电导率仪、pH仪和溶解氧测试仪，所述的水质监测循环管道支路的两端分别与独立循环管网子系统的管道连通。由于电导率监测、水体pH监测和溶解氧监测都不涉及化学变化，就能监测，因此，上述经过监测的水样的水质和独立循环管网子系统的管道中水的水质基本相同，监测后的水样可以再次通过水质监测循环回路回到独立循环管网子系统的管道中，基于上述理由，电导率监测、水体pH监测和溶解氧监测都可以采用实时监测，即随时都可以进行监测，不会引起监测独立循环管网子系统的管道中的水流的失稳，其中，所述的电导率监测、水体pH监测和溶解氧监测都可以采用市售的仪器设备。
所述的水质监测不可循环管道支路包括并联的余氯检测仪、浊度检测仪和颗粒含量检测仪，所述的水质监测不可循环管道支路的一端与独立循环管网子系统的管道连通，另一端接入地沟。由于余氯监测、浊度监测和颗粒含量监测需添加药剂，改变了循环管道内试验水水质，或引水出来检测后失压无法再通过压力差回到独立循环管网子系统的管道内，因此，只能排入地沟中，其中余氯监测、浊度监测和颗粒含量监测都可以采用市售仪器进行监测，为了减少水样的损失，这三项指标的测试采取间歇定时监测的方式。可人为进行开启、关闭操作，也可以根据设定的初始时间、间隔时间自动开启，达到测试稳定所需时间并传输和显示读数信号后，自动关闭。
为了模拟实际给水管网的二次消毒(如氯胺、二氧化氯、臭氧、次氯酸钠等)、外源污染物入侵、水质突变等多种工况，研究其水质变化规律，所述的独立循环管网子系统的管道上连有药剂加注系统，所述的药剂加注系统包括串联的药剂加注罐和药剂加注泵。通过药剂加注系统可以选择性地加入药剂，其中，药剂加注泵选用精密计量加注泵，精密计量加注泵可以根据设定的运行时间投加设定的药剂的量，从而实现精确控制药剂的加入时间和剂量。所述的药剂加注系统的个数可以根据需要增加或减少。在循环管网水质综合模拟试验系统进行模拟试验时，有时需要根据水质监测系统监测到的水质结果，选择药剂进行加入，优选地药剂加注系统的个数为1个～5个。还可以根据水质监测系统监测加入药剂后的水质结果，如消毒后的消毒副产物的监测。另外，示踪剂也可以通过药剂加注系统加入，可以通过药剂加注泵准确地控制加注的示踪剂的量，保证每次试验条件的基础一致，在试验前通过投加示踪剂，来保证管路冲洗干净，从而不会对试验的结果造成干扰，保证试验结果的准确。
所述的独立循环管网子系统的管道上设有用于人工取水采样的出口，并在出口位置设有第五阀门，当不取水样时，关闭第五阀门，当需要取水样时，开启第五阀门，可以直接从该出口取水样，采用化学反应的方法或者仪器分析法分析采样水的水质指标。
本实用新型具有如下优点：
本实用新型供水水箱能为循环管网水质综合模拟试验系统提供各种水质的自来水，以满足循环管网水质综合模拟试验系统对不同水质水源的研究要求，以应对当前不同地方的不同水质的出厂自来水在管网运输中出现的不同水质变化和不同的二次污染问题，能更高仿真模拟实际的出厂水在管网运输中出现的问题。
本实用新型高位补水排气水箱能很好的排净循环管网中的气泡，并能用高位补水排气水箱中实际参与循环的蓄水迅速补充试验中流失掉的水，当高位补水排气水箱中的液位较低时，可以通过补水系统进行补水，使得循环管网水质综合模拟试验更近似于实际和循环管网中的水流动稳定，从而确保了试验结果的准确性。
本实用新型用于实现封闭循环的第一管道支路通过相关阀门之间的开闭就能实现准封闭循环与封闭循环之间切换，保证水质各项指标监测的要求前提下，使得本实用新型实现封闭循环回路模拟实际供水管线。并且，通过封闭循环支路上的过程调节阀开度调节，可在主泵频率不变的情况下，控制封闭循环回路中的“满管流”压力。使得通过本实用新型循环管网水质综合模拟试验系统进行试验模拟的各项结果最大限度地接近实际的有压干管给水运输，有助于管网水质污染的原因机理、影响因素、控制方法的相关研究，有助于更好的认识饮用水在管网内的物理变化、生物变化和化学变化。
本实用新型水质监测系统和电磁流量计能很好地实现余氯监测、浊度监测、颗粒含量监测、余氯监测、浊度监测、颗粒含量监测和流量监测，确保了循环管网中水质的参数和运行状态的监测，从而对循环管网中的工况有全面的掌握，从而更有利于研究清楚其中的物理变化、化学变化和生物变化，如余氯衰减规律和动力学分析、管网内消毒副产物的形成迁移的生化机理、给水管网的生物稳定性和化学稳定性、管垢电化学机理及管内微生物生境等基础性研究提供高仿真的模拟硬件平台，为给水管网二次污染的防控提供基础理论数据。
本实用新型药剂加注系统可以精确地控制加注时间和加注剂量，可以进行循环管网水质综合模拟试验系统二次加氯、三次加氯、外源污染物入侵、水质突变等工况的模拟，用于研究药剂加注时间、加注剂量以及外源污染物侵入后的水质变化规律和潜在危害等，以及验证应对措施的有效性，提升了循环管网水质综合模拟试验系统的适应性，对改造现有饮用水处理流程、开发新技术和新工艺、建立管网内饮用水水质污染控制的方法和策略，提供安全优质饮用水具有重要的理论指导意义和工程应用价值。
本实用新型循环管网水质综合模拟试验系统为开展管网水质污染的原因机理、影响因素、控制方法的相关研究提供了一个良好的平台，对改造现有处理流程、建立管网水质污染控制的方法和策略。本实用新型循环管网水质综合模拟试验系统为给水水质稳定剂、防腐剂、消毒缓释剂等新型药剂，给水处理新型消毒技术和手段，新型管材应用等新技术、新方法、新手段，提供安全性和有效性评价检测的硬件场所，为新技术、新方法对管网水质的影响提供鉴定与评估的标准方法和手段，对于给水水质问题的研究具有十分重要的意义及提供安全优质饮用水具有重要的理论指导意义和工程应用价值。
附图说明
图1为本实用新型循环管网水质综合模拟试验系统的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型循环管网水质综合模拟试验系统，由1个供水子系统和4个通过供水子系统的管道2(以下简称管道2)与供水子系统连接的独立循环管网子系统。
供水子系统包括供水水箱1、管道2、混合循环泵3、阀门4、阀门5、阀门19和管道6，供水水箱1为圆柱形，体积为6000L，供水水箱1包括供水水箱1的出水口101、供水水箱1的进水口102、供水水箱1的药剂注入口103、供水水箱1的出口104、供水水箱1的进口105和供水水箱防尘盖106，供水水箱1的出水口101位于靠近供水水箱1底面的供水水箱1的侧壁，供水水箱1的出水口101通过串接有阀门19的管道2与独立循环管网子系统连接；供水水箱1的进水口102和供水水箱1的药剂注入口103位于供水水箱1的顶面，供水水箱1的出口104位于靠近供水水箱1底面的供水水箱1的侧壁，供水水箱1的进口105位于靠近供水水箱1顶面的供水水箱1的侧壁，供水水箱防尘盖106盖在供水水箱1的箱体上，供水水箱1的顶部侧壁设有排气小通孔(未标注)。供水水箱1的出口104通过串接有阀门5的管道6与混合循环泵3的进口连通，混合循环泵3的出口通过串接有阀门4的管道6与供水水箱的进口105相连，管道2的内径为150mm，管道6的内径为80mm。
四个独立循环管网子系统为第一独立循环管网子系统、第二独立循环管网子系统、第三独立循环管网子系统和第四独立循环管网子系统。
第一独立循环管网子系统包括主循环泵7、电磁流量计8、高位补水排气水箱9、独立循环管网子系统的管道10、补水系统11、放空支路12、水质监测系统13、第一药剂加注系统15、第二药剂加注系统16、阀门17、第二阀门18、阀门19、第三阀门20和第四阀门21。主循环泵7、电磁流量计8和高位补水排气水箱9通过独立循环管网子系统的管道10依次串联形成回路，主循环泵7与电磁流量计8之间在靠近电磁流量计8处设有阀门17。供水水箱1和高位补水排气水箱9的顶面位于循环管网水质综合模拟试验系统的水平最高水平面；主循环泵7的放置位置位于循环管网水质综合模拟试验系统的最低位置。独立循环管网子系统的管道10的总长度为78m，独立循环管网子系统的管道10的内径为150mm。
高位补水排气水箱9为圆柱形，体积为400L，高度与供水水箱1高度一致，高位补水排气水箱9内置有圆形的活塞状浮盖903，面积略小于高位补水排气水箱9，使得活塞状浮盖903水平放入的时候能与高位补水排气水箱9的内壁留有一定的空隙，活塞状浮盖903的密度小于水的密度，当高位补水排气水箱9充满水的时候，活塞状浮盖903在水的浮力的作用下沿着高位补水排气水箱9水位的升高或降低上下做活塞运动。高位补水排气水箱9的顶部盖有防尘盖904，防尘盖904的面积略大于高位补水排气水箱9的顶面，通过高位补水排气水箱9箱体获得有效支撑，在靠近高位补水排气水箱9顶面的高位补水排气水箱9的侧壁设有用于排气的小通孔(未标出)，能顺利地将循环管路中的水中的空气排出。这样，独立循环管网子系统的管道10中的空气可通过高位补水排气水箱9的活塞状浮盖与管壁间空隙排气出去，同时也通过活塞状浮盖实现了对该高位补水排气水箱9的准封闭隔离。高位补水排气水箱9设有高位补水排气水箱的进水口901和高位补水排气水箱的出水口902，高位补水排气水箱的进水口901为高位补水排气水箱箱高三分之一的位置，高位补水排气水箱的出水口902位于靠近高位补水排气水箱底面的高位补水排气水箱侧壁且低于高位补水排气水箱的进水口901。靠近高位补水排气水箱9的进水口901的独立循环管网子系统的管道10上设有第二阀门18，靠近高位补水排气水箱9的出水口902的独立循环管网子系统的管道10上设有第三阀门20，第二阀门18为电动阀，采用工业过程控制阀，可以调整开度，在主循环泵7频率不变的情况下，通过调整阀门18的开度也可以控制管道中的水的流量。第四阀门21通过独立循环管网子系统的管道10接入独立循环管网子系统，串接有第四阀门21的第一管道支路通过独立循环管网子系统的管道10与由第二阀门18、高位补水排气水箱9和第三阀门20串联形成的支路并联。第四阀门21为电动阀，即采用工业过程控制阀，可在主循环泵7频率不变的情况下，通过调整第四阀门21的开度控制管道中的水的流量，从而实现管道中的压力控制，对于压力监测，可以采用独立循环管网子系统的管道10上第四阀门21附近处装有压力表来监测独立循环管网子系统的管道10中水压的大小，通过第四阀门21的开度调节控制封闭循环回路中的“满管流”压力，从而使本实用新型循环管网水质综合模拟试验系统可以模拟实际有压干管管网运输的水质。
独立循环管网子系统的管道10设有独立循环管网子系统的管道10的第一出口1001、独立循环管网子系统的管道10的第二出口1002、独立循环管网子系统的管道10的第三进口1003(回路的进水口)、独立循环管网子系统的管道10的第四出口1004、独立循环管网子系统的管道10的第一进口1005、独立循环管网子系统的管道10的第二进口1006和独立循环管网子系统的管道10的第三进口1007。
水质监测系统13由水质监测循环管道支路1301和水质监测不可循环管道支路1302组成，水质监测循环管道支路1301由在线电导率仪(未标出)、pH仪(未标出)和溶解氧测试仪(未标出)三者并联连通，水质监测循环管道支路1301通过内径为20mm的管道接入独立循环管网子系统的管道的第一出口1001和独立循环管网子系统的管道的第一进口1005。水质监测不可循环管道支路1302由余氯检测仪(未标出)、浊度检测仪(未标出)和颗粒含量检测仪(未标出)三者并联组成，水质监测不可循环回路1302的一端通过内径为20mm的管道接入独立循环管网子系统的管道的第一出口1001，另一端接入地沟。
独立循环管网子系统的管道10的第二出口1002接有放空阀1201和系统放空管1202串联组成的放空支路12，独立循环管网子系统的管道的第三进口1003通过管道2与供水水箱1的出水口101连通，独立循环管网子系统的管道10的第四出口1004接有带第五阀门(未标注)的取水口，在采集水样时打开阀门，采集水样后，进行所需的测试，在其他时间关闭阀门，独立循环管网子系统的管道10的第二进口1006接有第一药剂加注罐1501和第一精密计量加注泵1502串联组成的第一药剂加注系统15，独立循环管网子系统的管道10的第三进口1007接有第二药剂加注罐1601和第二精密计量加注泵1602串联组成的第二药剂加注系统16。
供水子系统与第一独立循环管网子系统之间设有第一阀门14；第一阀门14与由补水系统的管道1101、实验水加注罐1102、实验水加注泵1103和电磁流量计1104串联组成的补水系统11并联，电磁流量计1104的出口通过补水系统的管道1101与独立循环管网子系统的管道10连通，实验水加注罐1102的入口通过补水系统的管道1101与管道2连通；补水系统的管道1101的内径为50mm，实验水加注罐1102的体积为100L，内有一个浮球进水阀。
供水子系统通过上述的连接方式与第二独立循环管网子系统、第三独立循环管网子系统和第四独立循环管网子系统相连，第二独立循环管网子系统、第三独立循环管网子系统和第四独立循环管网子系统分别通过管道2上B端、C端、D端与供水子系统连通。
每个独立循环管网子系统管路与设备都一样，不同之处，就在于：独立循环管网子系统的管道不一样，第一独立循环管网子系统的独立循环管网子系统的管道为球墨铸铁管，第二独立循环管网子系统的独立循环管网子系统的管道为PE管，第三独立循环管网子系统的独立循环管网子系统的管道为不锈钢管，第四独立循环管网子系统的独立循环管网子系统的管道为球墨铸铁管。球墨铸铁管较为常用，在循环管网水质综合模拟试验对于水在球墨铸铁管中模拟的水质在运输过程中发生的物理、化学和生物的变化，意义十分重大，由于有些循环管网水质综合模拟试验需要的时间比较长，而利用球墨铸铁管做循环管网水质综合模拟试验也比较多，为了满足试验的需要，系统中第一独立循环管网子系统的独立循环管网子系统的管道和第四独立循环管网子系统的独立循环管网子系统的管道都采用了球墨铸铁管，以满足试验需求。
本实用新型循环管网水质综合模拟试验系统具体工作流程如下：首先，通过供水水箱1的进水口102往供水水箱1中加入2000升以上待进入管网循环试验并需研究其水质变化规律的原水。该步可用2种方式，第一种是直接用储水车运来待研究的自来水厂的出厂水，通过供水水箱1的进水口102直接灌入供水水箱1。第二种是通过供水水箱1的进水口102往供水水箱1加入2000升以上管网末端的自来水，再根据试验要研究的主要水质指标，通过供水水箱1的药剂注入口103将配好浓度的药剂(如加入次氯酸钠模拟自来水出厂水进入管网前的加氯消毒，研究含有不同浓度氯离子的自来水在管网中长时间长距离运行流动后的水质变化物理规律)，灌入供水水箱1以实现人工调配试验原水。其次，根据需要，可打开阀门4和阀门5，开动混合循环泵3，使得供水水箱1中的水从供水水箱1的出口104出来，再回到供水水箱1的进口105，使得供水水箱1中的水和注入的药液混合均匀。
打开阀门19、第一阀门14、阀门17、第二阀门18和第三阀门20，使得供水水箱1中的水在重力的作用下灌入管道10(即独立循环管网子系统的管道10)，待高位排气补水水箱9和供水水箱1液面恒定不变为同一水平面时，即可认定已基本充满试验水(当然还混有很多无法排出的空气泡)管道10中充满水，然后关闭第一阀门14，供水水箱1中的原水会通过与其连通的管道2在重力势能下运输到实验水加注罐1102，直到罐内水位上升驱动其内的浮球阀关闭该罐进水口，而加注罐1102中的蓄水在补水系统11的实验水加注泵1103的作用下会注入到独立循环管网子系统的管道10中，电磁流量计1104可以显示实验水的补水流量，并累积补水流量。在补水系统11的作用下，对循环管网子系统进行补水，使得高位排气补水水箱中的试验原水液面达到高位排气补水水箱箱高3/4处的较高液位(尽量让该水箱蓄积较多的试验原水，一般会高于供水水箱液面)，之后补水系统11关闭，根据补水的需要可再次开启。
开始启动主循环泵7，主循环泵7为变频循环泵，循环回路流量通过调节主循环泵7的频率实现，管道10中的水在主循环泵7的作用下，进行循环，管道10中的气泡会被循环水带到高位补水排气水箱9中排掉：由于高位补水排气水箱9的进水口901与高位补水排气水箱9的出水口902之间存在着一定的高度差，水从高位补水排气水箱9的进水口901进来，再从高位补水排气水箱9的出水口902被吸走，在高位补水排气水箱9中的运行轨迹自上而下，而被循环水带入的气泡从高位补水排气水箱9的进水口901进来后，虽然一开始会在惯性作用下会随循环水运行轨迹自上而下向高位补水排气水箱9的出水口902方向移动，但由于其密度很小，受到很大的上升浮力，会上升，在高位补水排气水箱9的进水口901与出水口902之间足够大的高度差距离缓冲下，不会再被出水口902吸入管道，而是会在上浮后通过活塞状浮盖903与高位补水排气水箱9的内壁存在着一定的空隙排出，并最终通过高位补水排气水箱9的箱体设有的用于排气的通孔排出。当高位补水排气水箱9中的水位由于排气水位较低时，可以采用补水系统11对其进行补水，使得高位补水排气水箱9维持一定高的液位，防止空气再进入到独立循环管网子系统中，电磁流量计8会反馈主循环泵7变频控制的管道10的管内循环流量，这样构成的独立循环管网子系统可使得管道10之内的试验原水在相对一个比较封闭的环境进行循环，即为准封闭循环，还可以通过打开第四阀门21，关闭第二阀门18和第三阀门20，使得循环水从准封闭切换到封闭循环，切换到封闭循环后，可以直接利用补水系统11进行补水，从而利用循环管网水质综合模拟试验系统的模拟实验模拟出的各种情况和所得到的结果更接近实际。
水质监测系统13由水质监测循环管道支路1301和水质监测不可循环管道支路1302组成，水质监测循环管道支路1301由在线电导率仪(未标出)、PH仪(未标出)和溶解氧测试仪(未标出)三者并联连通，水质监测循环管道支路1301通过管内直径为20mm的管道接入水质监测独立循环管网子系统的管道的第一出口1001和独立循环管网子系统的管道的第一进口1005，可以随时进行监测，由于在电导率监测、水体pH监测和溶解氧监测不需要加入试剂，不涉及化学变化，监测的水质基本可以看作不发生变化，也不会失压，因此，上述的水样经过监测后还可以通过水质监测循环管道支路1301回到管道10中，而且监测可以在管路运行过程中随时进行。水质监测不可循环管道支路1302由在线余氯检测仪(未标出)、浊度检测仪(未标出)和颗粒含量检测仪(未标出)三者并联组成，水质监测不可循环回路1302的一端通过管内直径为20mm的管道接入独立循环管网子系统的管道10的第一出口1001，另一端接入地沟。由于该设计的回路是涉及添加药剂，改变了循环管道内试验水水质，或引水出来检测后失压，无法再通过压力差回到循环主管内，为了不影响、不污染管道10中的水质，将用于余氯监测、浊度监测和颗粒含量监测的水样经监测后的失压的水，直接排入地沟，这样，管道10中的水会随之减少，虽然用于在线监测采样排出的水样的水量很小，但一直连续开启采样，累积损耗也会很大，从而影响试验精度，因此，为了减少水样的损失，因此，为了减少水样的损失，余氯监测、浊度监测和颗粒含量监测的间隔时间可以根据需要设定，并且一般用于余氯、浊度和颗粒含量在线监测的水样的采集在满足试验数据要求的基础上不宜过于频繁。同时，高位补水排气水箱9中的参与循环的蓄水会随时进行补充(特殊试验情况下，管道10中的补水需求量超过高位排气补水箱9中的可提供的最大补水量，还能通过补水系统11迅速及时地补水)，从而使管道10中的循环水运行保持稳定。
除了用水质监测系统13监测独立循环管网子系统的管道10中的电导率、水体pH、溶解氧、余氯、浊度和颗粒含量外，还可以通过管道10的带有第五阀门的第四出口1004，通过第五阀门的打开和闭合，进行人工采样取水，然后再将采集到的水样转移到分析仪器中进行分析仪器中进行离线检测。
对于水质监测系统13监测到的独立循环管网子系统的管道10中的电导率、水体pH、溶解氧、余氯、浊度和颗粒含量的变化外，本实用新型循环管网水质综合模拟试验系统还可以通过第一药剂加注系统15与第二药剂加注系统16直接向管道10中的试验原水中投加药剂，可模拟实际给水管网途中的二次加消毒剂(如二次加氯)后的水质变化过程，药剂投放进第一药剂加注罐1501和第二药剂投放进药剂加注罐1601，然后在第一精密计量加注泵1502和第二精密计量加注泵1602(根据需要，设定加入的间隔时间和每次的加入量)的作用下，投放到独立循环管网子系统的管道10中。
目前，国内自来水厂都只是一次性在出厂水中加入足量的氯气消毒剂，以保持出厂时水质达标的自来水经过管网长距离输送到达用户水龙头端时仍能保持较好的水质。但出厂水到管网用户水龙头末端的输送管道有长有短，为了使最长管道存留时间的自来水能保持水质，可能就需要在出厂时投加较多消毒剂，那就会带来很多较短管网连接的用户自来水消毒副产物超标的危害，若是投加少了，较长管网连接的用户自来水又有可能会有细菌、有机物超标水质无法保持达标的危害，这是个两难的问题。因此，国外很多先进城市通过管网优化分析，在较长管网连接的中途合适节点增设了二次加氯(也可投加其他消毒剂)的设备，以降低出厂水一次的加氯量，可以大幅降低自来水中消毒副产物的残留危害。而本实用新型的第一药剂加注系统15与第二药剂加注系统16即可模拟管网的二次、三次加消毒剂的试验。再通过水质监测系统13和通过独立循环管网子系统的管道的第四出口1004接有的带第五阀门的取水口对独立循环管网子系统的管道10中的水质进行监测，从而可以量化的分析其消毒效果、消毒后水质的状况和消毒产物及消毒副产物的衰减变化规律。
Claims (10)
1.一种循环管网水质综合模拟试验系统，其特征在于，包括供水子系统以及与供水子系统连接的独立循环管网子系统；
所述的供水子系统包括带进水口、出水口和药剂注入口的供水水箱；
所述的独立循环管网子系统为包括通过管道串联的主循环泵、电磁流量计和高位补水排气水箱的回路；所述的回路设有进水口，所述的回路的进水口与供水水箱的出水口通过带第一阀门的管道连通；
所述的回路在靠近高位补水排气水箱的进水口和靠近高位补水排气水箱的出水口的位置分别设有第二阀门和第三阀门；
所述的回路连有与由第二阀门、高位补水排气水箱和第三阀门串联组成的支路并联的带第四阀门的第一管道支路、用于为回路补充水的补水系统、用于排出回路中水的放空支路和用于监测回路中水的水质的水质监测系统；
所述的补水系统包括串联的实验水加注罐和实验水加注泵，所述的实验水加注泵的出口与回路连通，所述的实验水加注罐的入口与供水水箱的出水口连通；
所述的供水水箱和高位补水排气水箱的顶面接近于同一水平面，所述的水平面位于所述的循环管网水质综合模拟试验系统的水平最高位置，所述的主循环泵的放置位置低于供水水箱和高位补水排气水箱的放置位置；
所述的高位补水排气水箱包括箱体和位于箱体内的活塞状浮盖，所述的活塞状浮盖与箱体内壁之间留有空隙；所述的活塞状浮盖的密度小于水的密度。
2.根据权利要求1所述的循环管网水质综合模拟试验系统，其特征在于，所述的供水水箱的出水口位于供水水箱的底部；
所述的供水水箱连有带混合循环泵的第二管道支路，所述的第二管道支路的两端分别与供水水箱连通；
所述的供水水箱的顶部盖有面积略大于供水水箱顶面的供水水箱防尘盖；
所述的供水水箱的侧壁顶部设有用于排气的通孔。
3.根据权利要求2所述的循环管网水质综合模拟试验系统，其特征在于，所述的第二管道支路的两端之间有高度差。
4.根据权利要求1所述的循环管网水质综合模拟试验系统，其特征在于，所述的高位补水排气水箱的壁面与底面垂直；
所述的高位补水排气水箱的顶部盖有面积略大于高位补水排气水箱顶面的高位补水排气水箱防尘盖；
所述的高位补水排气水箱的侧壁顶部设有用于排气的通孔。
5.根据权利要求1或4所述的循环管网水质综合模拟试验系统，其特征在于，所述的高位补水排气水箱的箱体为圆柱形。
6.根据权利要求1所述的循环管网水质综合模拟试验系统，其特征在于，所述的高位补水排气水箱的出水口位于高位补水排气水箱的底部，所述的高位补水排气水箱的进水口高于高位补水排气水箱的出水口且低于高位补水排气水箱箱高二分之一的位置。
7.根据权利要求1所述的循环管网水质综合模拟试验系统，其特征在于，所述的独立循环管网子系统为多个且多个独立循环管网子系统的管道相同或不同；
所述的独立循环管网子系统的管道为球墨铸铁管、聚乙烯管、铜管或者不锈钢管。
8.根据权利要求1所述的循环管网水质综合模拟试验系统，其特征在于，所述的水质监测系统由水质监测循环管道支路和水质监测不可循环管道支路组成；
所述的水质监测循环管道支路包括并联的电导率仪、pH仪和溶解氧测试仪，所述的水质监测循环管道支路的两端分别与独立循环管网子系统的管道连通；
所述的水质监测不可循环管道支路包括并联的余氯检测仪、浊度检测仪和颗粒含量检测仪，所述的水质监测不可循环管道支路的一端与独立循环管网子系统的管道连通，另一端接入地沟。
9.根据权利要求1所述的循环管网水质综合模拟试验系统，其特征在于，所述的独立循环管网子系统的管道上连有药剂加注系统，所述的药剂加注系统包括串联的药剂加注罐和药剂加注泵。
10.根据权利要求1所述的循环管网水质综合模拟试验系统，其特征在于，所述的主循环泵的底面位于循环管网水质综合模拟试验系统的最低水平面；
所述的独立循环管网子系统的管道上设有带第五阀门的用于人工取水采样的出口。
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| CN102654244A (zh) * | 2012-03-13 | 2012-09-05 | 哈尔滨工业大学 | 可再生能源的城市大热容水环系统 |
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| CN110469777A (zh) * | 2018-05-10 | 2019-11-19 | 上海微电子装备（集团）股份有限公司 | 一种液体循环系统和液体循环方法 |
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