非均勻流重力排水管線計算機(jī)輔助設(shè)計選型

于一涵 于容樸 梁林海

摘 要：通過對污水站內(nèi)非均勻流重力排水管線計算機(jī)建模，由上下游高差、管道長度、管道材質(zhì)和管件數(shù)量幾個參數(shù)，快速計算出最大設(shè)計充滿度時所需的最小管道內(nèi)徑，對不同工況條件的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行了匯總，為工藝技術(shù)人員的設(shè)計選型提供了重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：污水站;非均勻流;管線設(shè)計;計算機(jī)輔助設(shè)計

中圖分類號：TV133.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）19-0076-03

Abstract： This paper built a model of the nonuniform flow in the gravity drainage pipe line with the drop head，the length， material of the pipe and the parameter of the pipe fittings .With the help of computer，we can get the smallest pipe type. This paper also summarized the solutions under different conditions， which provided the specialists an important reference when they design the system.

Keywords： sewage station;nonuniform flow;pipeline design;computer aided design（CAD）

污水站內(nèi)的污水管線主要分為壓力流和重力流兩種形式，重力排水管線又分均勻流[1]和非均勻流兩種形式。壓力流管線的水力計算可按《室外給水設(shè)計規(guī)范》（GB 50013—2006）7.2.1條計算;室外均勻流重力排水管線可按《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014—2006）4.2.4條選型;室內(nèi)均勻流重力排水管線可按《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50015—2019）4.4.7條計算，并滿足最小坡度和最大充滿度要求。工程中非均勻流重力排水管線的設(shè)計和選型尚沒有充分的設(shè)計依據(jù)，因此這方面的設(shè)計成為工業(yè)污水站設(shè)計的重點和難點。

1 研究目的

水廠在做高程計算時，本著節(jié)能的原則，應(yīng)盡量采用一次提升，利用重力流依次進(jìn)入各處理單元[2]。大型市政污水廠一般單元較少、管線較粗、占地較大，不同單元之間的重力流管道布置比較順暢，不同單元之間的重力流基本上符合等徑、等坡、轉(zhuǎn)彎緩慢、沒有大阻力管件等條件，可作均勻流考慮，滿足排水規(guī)范的充滿度和坡度要求即可。對于小型工業(yè)污水站，情況恰好相反，單元多、管線細(xì)、占地不足。小型工業(yè)污水站的重力排水管線主要有細(xì)格柵、隔油、氣浮、厭氧、水解、好氧、沉淀等單元的重力出水管線，當(dāng)管線水平方向長度較大（[L]≥20 m）且在連接過程中出現(xiàn)了水平和豎直方向的轉(zhuǎn)向彎頭、三通等管件時，管道中的充滿度和流速發(fā)生較大變化，會出現(xiàn)氣液兩相流、阻力波動較大的情況，上述排水均為非均勻流重力排水管線。目前，在中小型工業(yè)污水站（日處理水量10 000 m3/d以下）調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，因設(shè)計不當(dāng)而造成非均勻流重力排水管道選型偏小的問題非常多見。

為避免出現(xiàn)上述問題，本文對此問題建立了數(shù)學(xué)模型，通過計算機(jī)給出了不同條件下的解并生成了快速選型表，為設(shè)計工作提供了設(shè)計依據(jù)。

2 計算模型的建立

以某屠宰廠污水站預(yù)處理單元管線為例建立數(shù)學(xué)模型：站內(nèi)采用運(yùn)輸車輛直接收集柵渣，細(xì)格柵采用架空設(shè)計。細(xì)格柵出水管相關(guān)標(biāo)高：一樓地面相對標(biāo)高0.3 m，頂部設(shè)柵渣斗，排渣口離地面3.5 m，渣斗高2 m，渣斗進(jìn)料口與二樓樓板平齊，二樓樓板相對標(biāo)高5.8 m;二樓細(xì)格柵的排水管管底超出二樓地面0.5 m，相對標(biāo)高6.3 m，下游的隔油池頂標(biāo)高為4.5 m，細(xì)格柵出水管線從隔油頂部進(jìn)入，末端管底標(biāo)高4.8 m。數(shù)學(xué)模型主要參數(shù)為：設(shè)計水量（提升泵最大流量）[Q]=300 m3/h;管道PE材質(zhì)的粗糙系數(shù)[n]=0.009;細(xì)格柵出口至隔油池進(jìn)口，管總長[L]=58 m;局部損失[∑ζ]=5.5（含彎頭、三通、閘閥等）;管徑[Do]≥200 mm，充滿度[h/Do]≥0.55;起始端液位高差[ΔH]=6.3-4.8=1.5 m;安全系數(shù)取[k]=1.25。

因管徑、充滿度、流速、坡度、局部阻力各參數(shù)間相互影響，傳統(tǒng)算法需要試算，計算量較大。即使采用Excel軟件，也需要多次試算，調(diào)整參數(shù)[3]，易出錯。在建模前先采用Excel反復(fù)計算數(shù)次得到最小內(nèi)徑為326 mm，取350 mm。

用計算機(jī)求解程序的流程控制如圖1所示。

3 程序計算過程

3.1 計算水力半徑[R]

非充滿條件下水力半徑[R][4]的值等于過流面積[A]除以潤濕周邊[C]，其關(guān)系如表1所示。

3.2 設(shè)計最大充滿度與管道內(nèi)徑的關(guān)系

先初步確定設(shè)計管線內(nèi)徑為[Do]，自定義充滿度函數(shù)Func HvsD（x），F(xiàn)unc HvsD為分段函數(shù)，不同管內(nèi)徑對應(yīng)的最大設(shè)計充滿度值按《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014—2006）4.2.4條確定。

3.3 計算設(shè)計管道內(nèi)徑[D]

重力流排水橫管采用謝才公式計算，已知[R]、[n]、[i]值，可求出實際條件下流速[Vs]。

當(dāng)實際流速[Vs]≥理論最小流速[V]時，內(nèi)徑[D]值可滿足運(yùn)行要求。程序的計算模塊算法采用循環(huán)語句，[D]值由初值DN200開始，以0.1 mm遞增。管道的過流能力隨著管道內(nèi)徑[D]的增加而增大，充滿度也會階梯性增加，管道的沿程損失會逐步減小，當(dāng)管道總阻力損失滿足高差要求[Ht]時，跳出循環(huán)語句。