次氯酸鈉在長距離原水管中輔助減阻的工程效應(yīng)

朱 杰，匡海鷹，王海明，蔣懷德，徐琛宇，鄒 浩

(1. 上海三高計算機中心股份有限公司，上海 200433；2. 上海城投原水有限公司，上海 200125；3.上海市政工程設(shè)計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

在原水管道流中，藍綠藻會和預(yù)加的次氯酸鈉反應(yīng)，并向水體中釋放高聚物[1]。試驗表明，藻類產(chǎn)生的多糖高聚物是非常好的減阻劑，在湍流流動中加入少量即可使摩擦阻力大幅減少[2]。有關(guān)添加劑減阻效應(yīng)的理論，近年來已逐步被人們認(rèn)知和研究，但該理論在工程方面的應(yīng)用卻少之又少。本文依托多糖高聚物減阻特性的研究成果，對工程應(yīng)用中特殊的水損現(xiàn)象作出合理解答，同時為在類似環(huán)境下的原水調(diào)度提供一定的參考價值。

1 項目背景

1.1 原水系統(tǒng)概況

以華東某市水專項課題為例，建設(shè)原水管網(wǎng)水力模型系統(tǒng)。

該原水線自長江口水庫取水，出庫水質(zhì)達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中II類標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)大型陸域泵站加壓后，通過兩路口徑為DN3600的管道泵送下游水廠(圖1)，上下游供受水點相距27 km，管路沿線安裝電磁流量計和壓力設(shè)備以支持準(zhǔn)確讀數(shù)。

圖1 原水模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of Raw Water Model

1.2 原水系統(tǒng)基礎(chǔ)模型建立

水力模型建設(shè)需要滿足三大要素：節(jié)點水量、拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)、控制參數(shù)。

在本項目中，原水系統(tǒng)作為典型的枝狀拓?fù)涔芫W(wǎng)(圖2)，加之所有數(shù)據(jù)完全在線，具備了建立高精度微觀水力模型的優(yōu)勢基礎(chǔ)。

圖2 沿線監(jiān)測點位示意Fig.2 Schematic of Monitoring Points along the Line

項目開展初期，以第一季度(1月)作為模型建立和應(yīng)用的時間背景，建成后管路沿線各校驗點模擬誤差如圖3～圖8所示。

圖3 1#管線流量計校核曲線Fig.3 Calibration Curve of Line 1 Flowmeter

(1)1#管線電磁流量計Q1：平均誤差為969 m3/h，相對誤差為1.65%(圖3)。

(2)1#管線壓力監(jiān)測點P11：平均誤差為0.39 m(圖4)。

圖4 1#管線壓力點P11校核曲線Fig.4 Check Curve of Pressure Point P11 of Line 1

(3)1#管線壓力監(jiān)測點P12：平均誤差為0.26 m(圖5)。

圖5 1#管線壓力點P12校核曲線Fig.5 Check Curve of Pressure Point P12 of Line 1

(4)2#管線電磁流量計Q2：平均誤差為719.51 m3/h，相對誤差為0.9%(圖6)。

圖6 2#管線流量計校核曲線Fig.6 Calibration Curve of Line 2 Flowmeter

(5)2#管線壓力監(jiān)測點P21：平均誤差為0.32 m(圖7)。

圖7 2#管線壓力點P21校核曲線Fig.7 Check Curve of Pressure Point P21 of Line 2

(6)2#管線壓力監(jiān)測點P22：平均誤差為0.26 m(圖8)。

圖8 2#管線壓力點P22校核曲線Fig.8 Check Curve of Pressure Point P22 of Line 2

由以上模擬結(jié)果可知，原水枝狀結(jié)構(gòu)結(jié)合全在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，微觀水力模型的精度可以達到很高的水平，完全能勝任實際生產(chǎn)下的模擬應(yīng)用。

1.3 模型問題初現(xiàn)

將建成后的水力模型應(yīng)用到第三季度(7月)的演練場景中，發(fā)現(xiàn)校驗點的模擬結(jié)果較實際產(chǎn)生了很大偏差，影響到正常的模擬調(diào)用。

針對上述問題，將該段管道獨立出來分析，以已知的泵送壓力和管道流量為邊界控制參數(shù)，以沿線壓力監(jiān)測點為校驗和觀察對象，結(jié)果如圖9～圖14所示。

(1)1#管線電磁流量計Q1：作為已知流量代入(圖9)。

圖9 1#管線流量計校核曲線Fig.9 Calibration Curve of Line 1 Flowmeter

(2)1#管線壓力監(jiān)測點P11：平均誤差為1.02 m(圖10)。

圖10 1#管線壓力點P11校核曲線Fig.10 Check Curve of Pressure Point P11 of Line 1

(3)1#管線壓力監(jiān)測點P12：平均誤差為1.82 m(圖11)。

圖11 1#管線壓力點P12校核曲線Fig.11 Check Curve of Pressure Point P12 of Line 1

(4)2#管線電磁流量計Q2：作為已知流量代入(圖12)。

圖12 2#管線流量計校核曲線Fig.12 Calibration Curve of Line 2 Flowmeter

(5)2#管線壓力監(jiān)測點P21：平均誤差為1.44 m(圖13)。

圖13 2#管線壓力點P21校核曲線Fig.13 Check Curve of Pressure Point P21 of Line 2

(6)2#管線壓力監(jiān)測點P22：平均誤差為2.04 m(圖14)。

圖14 2#管線壓力點P22校核曲線Fig.14 Check Curve of Pressure Point P22 of Line 2

對比前后2個季度的模擬結(jié)果，在管道屬性相同且滿足各自水力參數(shù)的基礎(chǔ)上，壓力模擬值(實線)向下偏移，較實測值(虛線)低，意味著在第2次的模擬過程中產(chǎn)生了更大的總水損，且隨著管程的增加呈擴大趨勢(表1)。

表1 測壓點模擬誤差比對Tab.1 Comparison of Simulation Errors of Pressure Measuring Points

2 精度漂移問題的查找方法

2.1 原因追溯

基于以上計算結(jié)果，在對管網(wǎng)拓?fù)?、調(diào)度閥門、計量儀表等生產(chǎn)資料復(fù)核無誤后，利用達西水損公式進一步分析，如式(1)。

(1)

其中：l——管道長度，m；

d——管道內(nèi)徑，m；

v——管內(nèi)平均流速，m/s；

g——重力加速度，m/s2；

λ——沿程摩阻系數(shù)。

在一段既定管道的模擬環(huán)境中，平均流速v、管長l、管徑d均確定，并作為已知參數(shù)代入，唯有摩阻系數(shù)λ取自經(jīng)驗值。初步懷疑，異常增大的水損可能是由管道摩阻系數(shù)λ引起的。

PVA-g-PAA的制備條件與之前報道內(nèi)容一致[18]。在氬氣氣氛下，將2.75 g PVA加入到50 mL去離子水中，攪拌溶解，驅(qū)除氧氣得到均一、分散性好的PVA溶液。將0.1 g Na2S2O8和0.03 g NaHSO3作為引發(fā)劑加入到PVA溶液中，升溫至65℃，再逐滴加入2.75 g AA，在65℃下反應(yīng)2.5 h，得到固含量為10wt.%的 PVA-g-PAA溶液。按[-OH]∶[-COOH] =1∶100、5∶100、10∶100的比例加入PER交聯(lián)劑，分別記為PVA-g-PAA-c-1%PER、PVA-g-PAA-c-5%PER和PVA-g-PAA-c-10%PER。

通常，引起摩阻系數(shù)λ變化的原因有很多，管道老舊、管壁結(jié)垢、低流速帶來的雜質(zhì)沉降、水體與管壁的生化反應(yīng)等均會引起變化?；仡櫛景咐?，作為投產(chǎn)僅幾年的超大口徑輸水干線，單管平均流速>2 m/s，顯然管道老化和沉積的可能性非常小，尤其是在短短幾個月內(nèi)發(fā)生的這種變化。

對比清水管中多年穩(wěn)定的摩阻系數(shù)，二者最大的區(qū)別為水質(zhì)差異。因此猜測，短時引發(fā)原水管道水損異常變化的因素來源于流體水質(zhì)。

2.2 問題定性分析

優(yōu)先考慮管壁上附著生物體的影響，其會在次氯酸鈉作用下脫落，從而引起管道摩阻系數(shù)變化。在南方自然水體中生長著一種貽貝科的淡水殼菜，能夠生存于低氧、高流速水體中。幼蟲時，隨水流大量進入輸水設(shè)施，發(fā)育至一定階段后會分泌發(fā)達足絲，高密度附著在設(shè)施上，增加管道糙率、減小過流斷面，且其分泌的酸性物質(zhì)會引起壁面腐蝕，排泄物與尸體腐爛產(chǎn)生的有毒物質(zhì)還會污染水質(zhì)。由于管道深埋地下，在運行期間無法直接觀察到生物附著情況，但可結(jié)合相關(guān)資料對附著生物體的分布規(guī)律作定性分析。

(1)管道中流速較緩的部位生物附著密度大，管道起始端的附著數(shù)量大于沿程其他管段[3]。

(2)淡水殼菜進入輸水系統(tǒng)后通常就近附著，高密度附著在進水口1 km范圍內(nèi)，之后附著密度迅速衰減，超過3 km管壁上幾乎無淡菜附著[4]。

(3)陸域泵站泵送的水體會經(jīng)過兩道沉淀工序：一是經(jīng)長江口取水后先進入大型地表水庫沉淀，蓄清避污；二是水庫水在重力作用下過江，到達陸域泵站的前池沉淀；經(jīng)兩道工序后，才會由陸域泵站送至下游水廠。

結(jié)合以上資料，淡水殼菜直接大量進入陸域干管并附著在管壁上的幾率較小，且基本上也都是附著在前端。若放在27 km長的管道中分析，其對水頭的影響完全可作局部阻力考慮，這與當(dāng)前全線水損且呈擴大之勢的現(xiàn)象不符。因此，在本文中可進一步考慮流體水質(zhì)本身的影響。

2.3 流體水質(zhì)、預(yù)處理藥劑及阻力系數(shù)的綜合分析

在管道流中，水生藻類會因添加劑的加入而產(chǎn)生多糖高分子聚合物，這在湍流中能產(chǎn)生明顯的減阻效應(yīng)[2]，從而使輸水水頭損失降低。

回顧本項目，第2次的模擬水損異常增大，反過來表明流體的實際水損減小，即在第2次的場景模擬中，管道流體已經(jīng)產(chǎn)生了減阻現(xiàn)象。

因此，獨立出流量較大的2#管線作定向分析，以確認(rèn)添加劑、藻類、摩阻系數(shù)之間的關(guān)系。

收集相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括藍綠藻濃度、泵送壓力、泵送流量、受水點壓力、添加劑量等，時間跨度為2012年3月—2018年3月。

整理其水力數(shù)據(jù)，按達西公式計算得出沿程摩阻系數(shù)λ，觀察變化趨勢(圖15)。

圖15 沿程摩阻系數(shù)變化趨勢Fig.15 Variation Trend of Friction Coefficient along Course

整理添加劑量和藍綠藻濃度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在本案例中，原水預(yù)處理的添加劑僅粉末活性炭和次氯酸鈉2種。鑒于粉末活性炭對藻細胞施加的物理吸附作用并不明顯，且一般是對分子量處于500～3 000的大分子有機物才具備較強吸附功能[5]，本案例中添加劑的分析以次氯酸鈉為主。

基于以上分析，繪制次氯酸鈉劑量、藍綠藻濃度和沿程摩阻系數(shù)λ的綜合比對圖(圖16)。

圖16 次氯酸鈉、藍綠藻、摩阻的綜合比對Fig.16 Comprehensive Comparison of Sodium Hypochlorite, Blue Green Algae and Friction Resistance

3 結(jié)果和影響分析

3.1 次氯酸鈉、藍綠藻及摩阻系數(shù)的關(guān)聯(lián)結(jié)果

如圖15所示，舍棄2014年10月—2015年5月因受水點壓力值波動而產(chǎn)生的異常計算結(jié)果。自2014年7月，整個管道的摩阻系數(shù)變化趨勢相當(dāng)平緩，平均約在0.012振蕩，與2012年3月—2014年7月的波動痕跡有明顯差別。

如圖16所示，在2012年3月—2014年7月，水體中的藍綠藻正處于暴發(fā)期(單位濃度>1 000萬個/L)，此時由于沒有投加次氯酸鈉，水力摩阻系數(shù)λ可躍升至0.016；而一旦投加次氯酸鈉，水力摩阻就立刻呈回落之勢(以2012年10月—2013年7月和2013年8月—2013年10月為例)。在其后的幾年里，次氯酸鈉基本處于連續(xù)投加狀態(tài)，得益于該操作，即使在2017年9月—2017年12月的藍綠藻暴發(fā)期，水力摩阻λ也能穩(wěn)定在0.012左右。

3.2 長時間投加次氯酸鈉的影響分析

該市原水系統(tǒng)投加10%濃度的次氯酸鈉[6]，投加量一般在0.6～1.2 mg/L，溶水后迅速水解成氯酸和次氯酸根，具有強氧化性，能對原水中的細菌、病原體和浮游植物予以滅活。輸水載體主要是涂了內(nèi)部防腐層的焊接鋼管，投運已有10年，運行環(huán)境相對穩(wěn)定。在流體均勻腐蝕產(chǎn)物的作用下，能保護基質(zhì)，防止管材受到侵蝕；加氯更能抑制微生物的腐蝕作用，從而進一步降低水體對輸水管道的侵蝕速率[7]。

定期投加次氯酸鈉，主要是對投加系統(tǒng)本身有影響，如管道結(jié)垢、排氣或其他安全問題。但是，在長時間的運行養(yǎng)護過程中，管理單位結(jié)合成熟技術(shù)已經(jīng)總結(jié)出適合自己的管理辦法：如采用計量泵代替壓力水將次氯酸鈉投入到投加系統(tǒng)中，或在投入前用軟化水對次氯酸鈉進行溶解稀釋后再行投加，避免管道結(jié)垢；同時，建立生產(chǎn)設(shè)施使用制度、安全設(shè)施管理制度、設(shè)備應(yīng)急管理制度，以降低設(shè)備運行中危險事故的發(fā)生[6]。

盡管次氯酸鈉具有強氧化性，可能會腐蝕管道。但經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，含氯原水對管道內(nèi)襯的腐蝕與停留時間有關(guān)，與初始加氯量無關(guān)[7]。因此，在管道頭部水壓接近0.4 MPa、流速>2 m/s的環(huán)境下，次氯酸鈉對管徑的影響極其有限。

4 結(jié)論和應(yīng)用

4.1 結(jié)論

在原水預(yù)處理的投加工藝中，次氯酸鈉用于除藻，粉末活性炭用于吸附凈化。在次氯酸鈉的強氧化作用下，藍綠藻細胞表面結(jié)構(gòu)被破壞，促使一部分細胞表層及胞內(nèi)物質(zhì)釋放到了水體中，這些物質(zhì)大部分為高聚物[1]。

多糖高聚物的存在降低了原水管道水力摩阻系數(shù)，尤其是在藍綠藻暴發(fā)期，能夠顯著減小輸水的沿程水頭損失。

4.2 應(yīng)用

輸水管道摩阻系數(shù)的變化，可在無形中影響上游泵站的調(diào)度壓力，這與節(jié)能降耗的經(jīng)濟指標(biāo)有直接關(guān)系。

以沿程摩阻系數(shù)λ在本文的高峰值0.016為例，在滿足下游受水點平均壓力為7 m和平均流量為80 000 m3/h的基礎(chǔ)上，需要的泵送壓力為22.417 m；而若摩阻系數(shù)λ穩(wěn)定在0.012附近，則滿足同等水力條件需要的泵送壓力僅為16.813 m；二者頭部壓力相差近6 m。

由此可知，在藍綠藻暴發(fā)期，有效投加次氯酸鈉不僅能保障管網(wǎng)健康、穩(wěn)定運行，還能有效降低能耗，提升經(jīng)濟效益。