马戍环
（天津公用事业科研所，天津300100）
摘要 对无负压给水设备及接入管网的技术条件作了分析探讨。
关键词 无负压给水 直接供水 瞬变流 注排气阀 气囊。 “无负压给水设备”是指：连接到供水管网上的增压水泵或可称为管网增压供水、管网直接加压供水设备等。它具有两大优点。其一，管网串接水泵增压供水，将管网中卫生合格的生活饮用水在密闭的环境下直供到户，减少或根除过去因水体在贮水池中蓄留、暴露、或管理不善而发生的二次污染，保障了水质卫生安全。其二，管网到水泵吸水口尚存的多余水头，可叠加为扬程利用，所以节电效果显著。
传统的城镇供水系统可以把水厂送水到用户水龙头的全过程分离为一次供水和二次供水两个相对独立的系统，而管网直接增压供水系统是将二者结合成为一个整体的系统，变二次供水
为一次直接供水到户。无负压给水设备则是该系统可以使用的设备。这种系统在日本被称为“直结给水系统”。
1、日本“直结给水方式扩大化”的概况
日本在二十世纪八十年代中期，关于“直结给水方式”必要性和可行性探讨和技术研究已经开始。不仅在技术层面上，而且在法理和行政管理；市场需求和供水者的义务；城市建筑物中高层化的供水模式等涉及社会系统层面上的讨论也在展开。在这样的背景下，日本厚生省在国家施策方针性文件“面向21世纪的供水系统改造和再构筑的长期目标”中将直结给水系统列入规划，并在1990年修订了给水设计规范，将管网末端服务压力由1.5Kg/cm增压供水²提高为2.0Kg/cm²；国家提供研究基金在千叶县建立了有规模的实验场；组织了有学者、科研机构、供水企业事业及产品制造厂商参加的队伍；筹措了运作资金，开展“直结给水”的研究，计划用3年时间作成“推进直结给水系统”的指导原则和方针文件。为此进行了大量的课题研究工作，涉及了规范、标准、设计、产品等方方面面的技术问题。
2、我国直接供水系统的研究和构建
20世纪90年代中随着国民经济的高速发展，我国城镇供水系统的建设投入很大，发展很快，供水能力大幅度提高，甚至在很多城市出现了能力过剩的局面，直接供水扩大化的基础条件已初步具备。如果继续按照传统的供水模式发展用户，管网愈织愈大，供水面积继续扩大，二次加压供水比率不断提升，将会使二次污染的问题更加突出，将给卫生监督、污染治理等工作带来很大的困难。
直接供水系统是指从水厂 管网 增压 用户的连续流程，构建这个系统是一项复杂的系统工程。而且直接供水方式是对传统供水体系的变革，不仅有大量的技术课题需要面对，而且还有涉及法律、行政管理和各方面利益等诸多矛盾需要解决，这不是短期的、可以一步到位的事情，需要有一个完整的系统框架和发展规划，并制定出短期目标，步步为营地去开展工作。
3、亟待制定无负压供水设备的准用条件和规定
如果默认或无约束条件地允许该类设备接入管网，有可能使管网超过承受能力，也有可能被劣质产品乘隙进入，给用户用水和管网安全带来隐患。再者，不制定一个科学、合理的准用条件作为规则，由供水企业或个人以试用的名义自己选择产品和厂商也显失“公开、公
平”的原则。因此，为满足市场需求，鼓励新产品新技术、新工艺的研制开发和推广应用，有关部门因势利导地研究和制定出管网准用无负压设备的具体条件和规定，创造公平、公正、和谐有序的市场氛围，这对保障管网安全、维护用户利益和鼓励技术进步都是十分需要的。
4、无负压给水设备管网准用的技术条件
管网之所以要有限制地准用无负压设备，是因为该类设备的使用会涉及到管网供应能力、管网运行安全和水质安全等三个方面。所谓准用技术条件，也就是管网对设备接入的技术要求或技术规范，可列出如下三条。在设备性能和使用环境可以满足这三项要求时允许其接入管网使用。
一、接入管网的增压给水设备应在管网限定的流量下运转，不得超量取水。
直接加压供水，取消了水池、水箱，失去了贮水调峰的中间环节，用水高峰流量直接由管网供给，使管网高时流量和时变化系数增大。势必要求水厂提高送水压力以达到管网末端服务压力。但水厂供水压力的提高会引起电耗增高、供水成本加大、漏水率上升、管网布
局不合理的显现以及管网运行调度不及时等一系列连锁反应。在这些悬念性课题尚无定论的时候，只能是在基本上不改变供水现状和格局的限定条件下扩大直接供水范围。即：可以先利用当前管网的余裕水头、冗余的供水能力来扩展直接供水面积，根据管网能力有选择、有限制地使用该类设备。
以流量为限定条件，用准确的定量界定了供需双方的权利和义务。当管网压力低于国家规定的服务压力而供水不足时责在供方；而用户方由于设备选用或使用不当而造成超量取水时应当受限。限定流量的数据可以由供水企业根据用户用水申请，通过管网平差计算或凭经验判断提出。供水验收时可用简单的方法和仪器进行检验。当然，以管网压力为限制条件的方法也可限制超量取水，但压力限制方法的可操作性较差。例如，压力限制条件规定为“使用该设备对自来水管网串接处产生的压降差应小于0.01至0.02MPa”。但用户在设计选型时很难知道何以能满足此条件？在用水验收时，供方（管网方）以何种方法确认是该套设备的运转使管网压降超标，而不是管网上其它用户或管网自身的问题而造成的？压力限制法可作为管网计算和确认管网能力时的一种方法，在对供水能力宏观评价或在计算某供水区域或管段有无条件使用直接抽水设备时是方便的计算方法。但作为对抽水设备的限制条件而提出时，尚需研究其可操性的问题。
流量限定条件具有优先考虑管网能力和管网安全的价值取向，限制超过管网能力的区域或管段使用直接抽水设备；维持一部分水池、水箱的二次加压供水方式；利用其贮水调峰功能来缓解管网承受的压力；有待直接供水扩大化的规划逐步实施时再去满足该部分用户的需要。因此不鼓励为了调峰水量需要而加大进水罐容积，因为当进水流量不足以满足高峰流量而通过罐内蓄水补充时，罐内会产生负压，而消除负压的技术和水罐容积计算方法在目前都难以说是十分成熟的。当然，某些用户要求在管网断水时保有一定储备水量，进水罐的容积也可以很大，但这是为了断水时维持一段时间连续用水，而不是为了在管网正常运行中起到调峰的作用。流量限定方法，将流量指标作为控制抽水设备运行的条件，控制住设备不超量取水，即使是在水泵失控、出水管断裂等事故状态下有进水流量的限制和控制也不可能超量取水。所以可认为该套设备不产生负压。对于用户来说，可能会顾虑限量供水会影响压力、流量而供应不足。但供方（管网方）限定流量之时，就已承诺了可满足需要的前提，除了管网和设备故障的特殊情况外，正常用水不会受到限制和影响。应该看到，目前很多城市已出现供水产品过剩局面，供水企业已在提高管网压力扩展市场。因此，“流量限制”已不是计划经济时代定量供应的内涵。这里的“流量限制”主要是针对抽水设备的限制，防止设备在产生负压时超过定量取水而影响管网安全和相邻用户的用水。
可形象地比喻为给设备装上一条“限流的保险丝”，防止设备运转不良或发生故障时殃及管网。当然，经常烧断保险丝的设备是不可能被管网和用户接受的。
二、接入管网的增压给水设备，应具有防止负压、压力振荡及倒流的有效功能。
管道中出现负压和随之而来的气囊、气阻、压力振荡、倒流及水锤等是危及管网安全或产生隐患的重要因素。因此，对直接抽水设备的首要功能要求就是为了保证管网安全而没有负压。无负压功能的实现，可用下图示例说明：
图中进水管从水罐上部注水入罐。罐顶装有一个注排气阀，它具有在满水时关闭，在罐内产生负压或水位下降时打开阀门补入大气的作用，所以也被称为“真空消除器”“真空补偿器”等。该类装置有浮子、浮球等机械式、有靠电接点真空表或水罐水位接点控制电磁阀启闭的电动式等方式各异，名称标新的很多品类。在水罐注满水时此阀闭紧，此时水罐为承压的密闭容器，可视为管路上增加了一个有突然放大和突然缩小局部阻力损失的异径管。罐底连接至水泵进水口，并建立了水泵出水口的静水头。
设备运行有如下三种工况：
● 管流静止状态（水泵停转时）
Q1 = Q2 = 0
P1 = P0 = P2
式中 Q1 — 进水管流量
Q2 — 出水管流量
P1 — 自来水管网压力
P0 — 进水口压力（P0≈水罐内压力）
P2 — 出水管压力
●管流为连续流状态（水罐满水时）
Q1 = Q2 = 用户使用流量
P0 = P1 - SQ1²
P2 = P0 + △H
式中 S — 进水管路阻力特性系数
△H — 水泵作功扬程
此时管流可视为连续性非恒定流。水泵依据用水流量的变化而变速运转，自动改变扬程P2和流量Q2满足用水需求。进水管流符合不可压缩流体稳定流动的连续性方程式特征，故Q1
= Q2；进水口压力P0可叠加到水泵扬程上利用。所叠压力是随流量而变的变量而非定量，更不是管网上的压力P1。在叠压节能计算和设计选泵时应考虑此数学关系。
● 管流分离状态（水罐接通大气时）
Q1 < Q2
P0 ≈ 0
P2 = △H
当用水流量增大，水泵升速追随，致使Q2 > Q1，此时由于水罐补水△Q = Q2 - Q1，使罐内水位下降，导致管流拉断，破坏了连续性流态而产生负压。若罐顶上的注气阀在负压生成后可及时打开补入大气，则使水罐变为了开口容器。这时的进水流量Q1为管网压力P1和管路阻力特性决定的最大能力流量，是负压吸水的临界流量。水泵此时工况为虽无吸程也无叠压的水池取水方式，出水则是以设定的恒压控制线控制水泵转数的传统变频供水方式。形成了出水管流与进水管流不相关的连续性流态，向用户正常供水。
然而在挑剔上述分析之不足时，会发现分析中忽略了重要的两点：一是忽略了管路中瞬变流动是负压的重要成因；二是忽略了对负压生成的瞬间到注气阀打开的△t时间内过渡过程的描述和分析。
从前面的分析中可以看出，若有进口流量控制使 Q1≮ Q2，或当管网压力很高，进水管阻力很小而水泵额定流量较小时，根本就没有Q1<Q2的水力条件，既使不加任何控制和防范措施，任由水泵直接抽水也不会产生负压。但在管内压力突然波动；水泵快速启动和台数切换；水泵振荡、水泵失控、突然升速；出水管路断裂等很多情况下都会产生瞬变流态，使水柱瞬间分离而产生负压区。这种现象在流体为紊流、流体的惯性力影响很显著的管道中常有出现。在管路凸点、汇合点、大阻力系数管件侧及管壁粗糙、阀门半开等处极易发生，是危害管网安全的大敌。
水柱分离到再弥合的过程是复杂的水力过渡过程，是瞬变流理论研究的主要对象。当瞬变流产生了负压区，在△t时段初水体中溶解性气体会以微小气泡样式迅速析出。这是因为天然水体中溶解性空气的含气率约为2%（即每立方米水中含气体约为20升），当压力下降到某一值（可认为是饱和蒸气压力值）时气体必然要释放。气泡析出后会聚积为大气泡而
形成气囊，气囊两端形成压差，在进水流欲弥合此气穴时压迫气囊，由于气体的可压缩性,在压力传递过程中，犹如一个弹性器件，在压缩、反弹的运动中引起管道压力的振荡，程度严重时可导致管网爆管。同时应该注意的是，在高压振荡状态下管路注气、排气的过程是相当复杂的，注排气的可靠性也是较难把握的。在没有深入研究排气、注气的机理和准确计算方法时，装上一个注气阀就宣称“无负压”，显然不是科学的态度；对于瞬变流及其过渡过程认识不足，或不能计算出它对管网的冲击可以有效排除或可忽略不计，就提出一个“无负压”的结果，也是难以令人信服的。
从示例分析中可以看出，瞬变流是负压生成的主要原因，防止负压产生和消除负压的对策应首先从抑制和消除瞬变流入手。例如：可通过智能化控制方法，使设备运行中不产生流量突变，使管流连续性流态不被破坏，则根本不会产生负压。一旦控制系统失灵或响应速度不够时产生了负压，可在设备水路中采用消除气囊的技术作为第二重对策。很多在管网和长距离输水管道上常用的技术，如：有效排气；；△t时段初压力罐补水等方法，都可以用于无负压给水设备上。目前依照这样思路设计的产品已在一些城市使用，打出了“根本不产生负压而不是产生后再去消除”招牌的无负压给水设备已见上市。另外，也可以在进水罐上继续作文章，如在产生负压时将水泵出口高压水引回水罐补水保压（小流量保压）；或
通过出水旁路管回流调节出水流量Q2等方法，都可以不再依赖注气阀打开进气消除负压，使水罐真正全密闭并保持管流连续。
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