次氯酸钠在长距离原水管中辅助减阻的工程效应

朱 杰，匡海鹰，王海明，蒋怀德，徐琛宇，邹 浩

(1. 上海三高计算机中心股份有限公司，上海 200433；2. 上海城投原水有限公司，上海 200125；3.上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司，上海 200092)

在原水管道流中，蓝绿藻会和预加的次氯酸钠反应，并向水体中释放高聚物[1]。试验表明，藻类产生的多糖高聚物是非常好的减阻剂，在湍流流动中加入少量即可使摩擦阻力大幅减少[2]。有关添加剂减阻效应的理论，近年来已逐步被人们认知和研究，但该理论在工程方面的应用却少之又少。本文依托多糖高聚物减阻特性的研究成果，对工程应用中特殊的水损现象作出合理解答，同时为在类似环境下的原水调度提供一定的参考价值。

1 项目背景

1.1 原水系统概况

以华东某市水专项课题为例，建设原水管网水力模型系统。

该原水线自长江口水库取水，出库水质达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中II类标准，经大型陆域泵站加压后，通过两路口径为DN3600的管道泵送下游水厂(图1)，上下游供受水点相距27 km，管路沿线安装电磁流量计和压力设备以支持准确读数。

图1 原水模型拓扑结构Fig.1 Topology of Raw Water Model

1.2 原水系统基础模型建立

水力模型建设需要满足三大要素：节点水量、拓扑网络、控制参数。

在本项目中，原水系统作为典型的枝状拓扑管网(图2)，加之所有数据完全在线，具备了建立高精度微观水力模型的优势基础。

图2 沿线监测点位示意Fig.2 Schematic of Monitoring Points along the Line

项目开展初期，以第一季度(1月)作为模型建立和应用的时间背景，建成后管路沿线各校验点模拟误差如图3～图8所示。

图3 1#管线流量计校核曲线Fig.3 Calibration Curve of Line 1 Flowmeter

(1)1#管线电磁流量计Q1：平均误差为969 m3/h，相对误差为1.65%(图3)。

(2)1#管线压力监测点P11：平均误差为0.39 m(图4)。

图4 1#管线压力点P11校核曲线Fig.4 Check Curve of Pressure Point P11 of Line 1

(3)1#管线压力监测点P12：平均误差为0.26 m(图5)。

图5 1#管线压力点P12校核曲线Fig.5 Check Curve of Pressure Point P12 of Line 1

(4)2#管线电磁流量计Q2：平均误差为719.51 m3/h，相对误差为0.9%(图6)。

图6 2#管线流量计校核曲线Fig.6 Calibration Curve of Line 2 Flowmeter

(5)2#管线压力监测点P21：平均误差为0.32 m(图7)。

图7 2#管线压力点P21校核曲线Fig.7 Check Curve of Pressure Point P21 of Line 2

(6)2#管线压力监测点P22：平均误差为0.26 m(图8)。

图8 2#管线压力点P22校核曲线Fig.8 Check Curve of Pressure Point P22 of Line 2

由以上模拟结果可知，原水枝状结构结合全在线监测数据，微观水力模型的精度可以达到很高的水平，完全能胜任实际生产下的模拟应用。

1.3 模型问题初现

将建成后的水力模型应用到第三季度(7月)的演练场景中，发现校验点的模拟结果较实际产生了很大偏差，影响到正常的模拟调用。

针对上述问题，将该段管道独立出来分析，以已知的泵送压力和管道流量为边界控制参数，以沿线压力监测点为校验和观察对象，结果如图9～图14所示。

(1)1#管线电磁流量计Q1：作为已知流量代入(图9)。

图9 1#管线流量计校核曲线Fig.9 Calibration Curve of Line 1 Flowmeter

(2)1#管线压力监测点P11：平均误差为1.02 m(图10)。

图10 1#管线压力点P11校核曲线Fig.10 Check Curve of Pressure Point P11 of Line 1

(3)1#管线压力监测点P12：平均误差为1.82 m(图11)。

图11 1#管线压力点P12校核曲线Fig.11 Check Curve of Pressure Point P12 of Line 1

(4)2#管线电磁流量计Q2：作为已知流量代入(图12)。

图12 2#管线流量计校核曲线Fig.12 Calibration Curve of Line 2 Flowmeter

(5)2#管线压力监测点P21：平均误差为1.44 m(图13)。

图13 2#管线压力点P21校核曲线Fig.13 Check Curve of Pressure Point P21 of Line 2

(6)2#管线压力监测点P22：平均误差为2.04 m(图14)。

图14 2#管线压力点P22校核曲线Fig.14 Check Curve of Pressure Point P22 of Line 2

对比前后2个季度的模拟结果，在管道属性相同且满足各自水力参数的基础上，压力模拟值(实线)向下偏移，较实测值(虚线)低，意味着在第2次的模拟过程中产生了更大的总水损，且随着管程的增加呈扩大趋势(表1)。

表1 测压点模拟误差比对Tab.1 Comparison of Simulation Errors of Pressure Measuring Points

2 精度漂移问题的查找方法

2.1 原因追溯

基于以上计算结果，在对管网拓扑、调度阀门、计量仪表等生产资料复核无误后，利用达西水损公式进一步分析，如式(1)。

(1)

其中：l——管道长度，m；

d——管道内径，m；

v——管内平均流速，m/s；

g——重力加速度，m/s2；

λ——沿程摩阻系数。

在一段既定管道的模拟环境中，平均流速v、管长l、管径d均确定，并作为已知参数代入，唯有摩阻系数λ取自经验值。初步怀疑，异常增大的水损可能是由管道摩阻系数λ引起的。

PVA-g-PAA的制备条件与之前报道内容一致[18]。在氩气气氛下，将2.75 g PVA加入到50 mL去离子水中，搅拌溶解，驱除氧气得到均一、分散性好的PVA溶液。将0.1 g Na2S2O8和0.03 g NaHSO3作为引发剂加入到PVA溶液中，升温至65℃，再逐滴加入2.75 g AA，在65℃下反应2.5 h，得到固含量为10wt.%的 PVA-g-PAA溶液。按[-OH]∶[-COOH] =1∶100、5∶100、10∶100的比例加入PER交联剂，分别记为PVA-g-PAA-c-1%PER、PVA-g-PAA-c-5%PER和PVA-g-PAA-c-10%PER。

通常，引起摩阻系数λ变化的原因有很多，管道老旧、管壁结垢、低流速带来的杂质沉降、水体与管壁的生化反应等均会引起变化。回顾本案例，作为投产仅几年的超大口径输水干线，单管平均流速>2 m/s，显然管道老化和沉积的可能性非常小，尤其是在短短几个月内发生的这种变化。

对比清水管中多年稳定的摩阻系数，二者最大的区别为水质差异。因此猜测，短时引发原水管道水损异常变化的因素来源于流体水质。

2.2 问题定性分析

优先考虑管壁上附着生物体的影响，其会在次氯酸钠作用下脱落，从而引起管道摩阻系数变化。在南方自然水体中生长着一种贻贝科的淡水壳菜，能够生存于低氧、高流速水体中。幼虫时，随水流大量进入输水设施，发育至一定阶段后会分泌发达足丝，高密度附着在设施上，增加管道糙率、减小过流断面，且其分泌的酸性物质会引起壁面腐蚀，排泄物与尸体腐烂产生的有毒物质还会污染水质。由于管道深埋地下，在运行期间无法直接观察到生物附着情况，但可结合相关资料对附着生物体的分布规律作定性分析。

(1)管道中流速较缓的部位生物附着密度大，管道起始端的附着数量大于沿程其他管段[3]。

(2)淡水壳菜进入输水系统后通常就近附着，高密度附着在进水口1 km范围内，之后附着密度迅速衰减，超过3 km管壁上几乎无淡菜附着[4]。

(3)陆域泵站泵送的水体会经过两道沉淀工序：一是经长江口取水后先进入大型地表水库沉淀，蓄清避污；二是水库水在重力作用下过江，到达陆域泵站的前池沉淀；经两道工序后，才会由陆域泵站送至下游水厂。

结合以上资料，淡水壳菜直接大量进入陆域干管并附着在管壁上的几率较小，且基本上也都是附着在前端。若放在27 km长的管道中分析，其对水头的影响完全可作局部阻力考虑，这与当前全线水损且呈扩大之势的现象不符。因此，在本文中可进一步考虑流体水质本身的影响。

2.3 流体水质、预处理药剂及阻力系数的综合分析

在管道流中，水生藻类会因添加剂的加入而产生多糖高分子聚合物，这在湍流中能产生明显的减阻效应[2]，从而使输水水头损失降低。

回顾本项目，第2次的模拟水损异常增大，反过来表明流体的实际水损减小，即在第2次的场景模拟中，管道流体已经产生了减阻现象。

因此，独立出流量较大的2#管线作定向分析，以确认添加剂、藻类、摩阻系数之间的关系。

收集相关生产数据，包括蓝绿藻浓度、泵送压力、泵送流量、受水点压力、添加剂量等，时间跨度为2012年3月—2018年3月。

整理其水力数据，按达西公式计算得出沿程摩阻系数λ，观察变化趋势(图15)。

图15 沿程摩阻系数变化趋势Fig.15 Variation Trend of Friction Coefficient along Course

整理添加剂量和蓝绿藻浓度数据，发现在本案例中，原水预处理的添加剂仅粉末活性炭和次氯酸钠2种。鉴于粉末活性炭对藻细胞施加的物理吸附作用并不明显，且一般是对分子量处于500～3 000的大分子有机物才具备较强吸附功能[5]，本案例中添加剂的分析以次氯酸钠为主。

基于以上分析，绘制次氯酸钠剂量、蓝绿藻浓度和沿程摩阻系数λ的综合比对图(图16)。

图16 次氯酸钠、蓝绿藻、摩阻的综合比对Fig.16 Comprehensive Comparison of Sodium Hypochlorite, Blue Green Algae and Friction Resistance

3 结果和影响分析

3.1 次氯酸钠、蓝绿藻及摩阻系数的关联结果

如图15所示，舍弃2014年10月—2015年5月因受水点压力值波动而产生的异常计算结果。自2014年7月，整个管道的摩阻系数变化趋势相当平缓，平均约在0.012振荡，与2012年3月—2014年7月的波动痕迹有明显差别。

如图16所示，在2012年3月—2014年7月，水体中的蓝绿藻正处于暴发期(单位浓度>1 000万个/L)，此时由于没有投加次氯酸钠，水力摩阻系数λ可跃升至0.016；而一旦投加次氯酸钠，水力摩阻就立刻呈回落之势(以2012年10月—2013年7月和2013年8月—2013年10月为例)。在其后的几年里，次氯酸钠基本处于连续投加状态，得益于该操作，即使在2017年9月—2017年12月的蓝绿藻暴发期，水力摩阻λ也能稳定在0.012左右。

3.2 长时间投加次氯酸钠的影响分析

该市原水系统投加10%浓度的次氯酸钠[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，具有强氧化性，能对原水中的细菌、病原体和浮游植物予以灭活。输水载体主要是涂了内部防腐层的焊接钢管，投运已有10年，运行环境相对稳定。在流体均匀腐蚀产物的作用下，能保护基质，防止管材受到侵蚀；加氯更能抑制微生物的腐蚀作用，从而进一步降低水体对输水管道的侵蚀速率[7]。

定期投加次氯酸钠，主要是对投加系统本身有影响，如管道结垢、排气或其他安全问题。但是，在长时间的运行养护过程中，管理单位结合成熟技术已经总结出适合自己的管理办法：如采用计量泵代替压力水将次氯酸钠投入到投加系统中，或在投入前用软化水对次氯酸钠进行溶解稀释后再行投加，避免管道结垢；同时，建立生产设施使用制度、安全设施管理制度、设备应急管理制度，以降低设备运行中危险事故的发生[6]。

尽管次氯酸钠具有强氧化性，可能会腐蚀管道。但经研究发现，含氯原水对管道内衬的腐蚀与停留时间有关，与初始加氯量无关[7]。因此，在管道头部水压接近0.4 MPa、流速>2 m/s的环境下，次氯酸钠对管径的影响极其有限。

4 结论和应用

4.1 结论

在原水预处理的投加工艺中，次氯酸钠用于除藻，粉末活性炭用于吸附净化。在次氯酸钠的强氧化作用下，蓝绿藻细胞表面结构被破坏，促使一部分细胞表层及胞内物质释放到了水体中，这些物质大部分为高聚物[1]。

多糖高聚物的存在降低了原水管道水力摩阻系数，尤其是在蓝绿藻暴发期，能够显著减小输水的沿程水头损失。

4.2 应用

输水管道摩阻系数的变化，可在无形中影响上游泵站的调度压力，这与节能降耗的经济指标有直接关系。

以沿程摩阻系数λ在本文的高峰值0.016为例，在满足下游受水点平均压力为7 m和平均流量为80 000 m3/h的基础上，需要的泵送压力为22.417 m；而若摩阻系数λ稳定在0.012附近，则满足同等水力条件需要的泵送压力仅为16.813 m；二者头部压力相差近6 m。

由此可知，在蓝绿藻暴发期，有效投加次氯酸钠不仅能保障管网健康、稳定运行，还能有效降低能耗，提升经济效益。