管道特性曲线法在注射水储存分配系统的应用

马 宁，江 进，马鸿志

(1.中电系统建设工程有限公司,北京 100040;2.广东工业大学,广东 广州 510006; 3.北京科技大学,北京 100083)

制药厂房的注射水储存分配系统对水质的要求极高。相对于一般建筑的生活生产给水系统,对管道流速、压力、回水流量、温度等参数均有着比较严格的限定,对系统设计的精度与准确度要求也更高。

常见的注射水储存分配系统大多采用单管循环,见图1。该系统最大特点是供水泵兼做循环泵,在系统用水的同时,还必须保证有一定的回水流量以管口出流的形式回到储罐并保持较高的温度。而对于一些比较大的系统,由于管道较长,系统压力损失也较大,在不同工况下各用水点工作压力差异比较明显。尤其对于具备一定高差的注射水分配系统,运行调试时的系统回水流量往往偏离设计值较大,调试后的系统在运行中压力波动较大,稳定性较差。本文通过管道特性曲线法来对其水力特性进行一些分析与总结。

1 问题分析

1.1 系统流量的确定

在系统正常运行时,储罐呼吸阀处于开启状态,储罐与大气连通,及时释放与吸收储罐内压力波动,是一个开式系统(系统在用纯蒸汽消毒,呼吸阀关闭时是闭式系统)。

系统运行时,储罐最低液面与管道上任意一用水点压力关系满足伯努利方程式(见式(1)):

(1)

其中,Z1为储罐最低液面至基准面的高差,m;P1为储罐最低液面处压力,m;V1为储罐最低液面处行进流速,m/s;Zm为系统内任意点至基准面的几何高差,m;Pm为管道内任意点处工作压力,m;Vm为配水管内流速,m/s;ΔH1-m为储罐最低液面至管道内任意点的系统总压力损失(包含沿程和局部),m;H水泵为水泵在对应流量下的有效扬程,m。

根据式(1),可以推导出式(2),式(3):

(2)

P2=Pm-ΔHm-2

(3)

其中,V3为储罐回水管口处流速,m/s;P2为回水横管与回水立管连接处工作压力,m;H1为储罐最低液面与回水口的几何高差,m;ΔH1-3为储罐最低液面至回水口的系统总压力损失,m;ΔHm-2为最不利点到回水横管与回水立管连接处的压力损失(包含沿程和局部),m。

根据式(2)可知:系统运行时水泵的有效扬程全部转化为:储罐内回水口与最低液面的高差,管道的压力损失,回水口速度水头三者之和。按上述关系绘制出该工况下整个管道系统的特性曲线,再结合选取的水泵特性曲线,就可以找到此时通过系统的流量值[1-4]。

1.2 管道特性曲线的建立

1)在系统无用水,所有阀门开度不变,系统只通过回水流量时,管道的特性曲线唯一,可以根据式(2)直接绘制。

2)在系统用水时,某一时刻同时开启的用水点个数及位置均具有随机性,存在多种可能的组合,理论上每一种同时开启用水点组合就对应一个该时刻的管道特性曲线,这些管道特性曲线的区别是:相同数值的流量点对应的水泵扬程略有不同。

因注射水分配系统大多为单管循环,配水工况类似于管道的沿程泄流。如果能把管道的沿程泄流都转化为末端出流,就可以得到一条唯一的管道曲线。

假定用水点在管道均匀分布,根据流体力学中沿程均匀泄流全部转化为末端流出的原理,可将其转化为全部流量从管道末端流出[5]。即:将沿程均匀流出的流量Qy全部转化为末端流出的流量Qm(见图2)。

(4)

推导过程略,详见《给水工程》(第4版)[6]-5.3章。

即保证同样流量,沿程均匀泄流所需作用压头是末端出流的1/3。利用这个结论,将系统配水管沿程均匀泄流全部转化到回水口末端出流,就可以“虚拟”出一个管道系统,该系统具有以下特点:1)该管道系统的全部流量均从末端流出,末端流出的流量为设计流量与回水流量之和。2)该管道系统特性曲线与水泵曲线交点对应的流量是原系统通过的流量。

2 管道特性曲线法在工程实例的应用

某制药厂房,地上3层,制水间位于地下1层。注射水供水泵为卫生级不锈钢离心泵,水泵的额定参数:Q=20 m3/h,H=0.65 MPa,N=7.5 kW。 采用单管循环供给2层—3层的各工艺用水点后循环回到储罐。系统管道总长370 m,其中供水段总长度 240 m,回水段长度130 m,最不利用水点Pm与回水立管间管道长度为95 m,管径均为DN70 mm。系统设计流量:Q供=10 m3/h,回水流量:Q回=10 m3/h。系统最不利用水点至储罐最低液位高差为17 m,见图3。

选用的水泵是一台sls50-200(I)型离心水泵,该水泵的性能曲线见图4。

2.1 系统无用水,仅通过循环流量时

根据式(2),计算出各流量下的系统沿程损失与局部损失,出口流速水头,结合储罐回水口与最低吸水液面的高差,绘制出该工况下系统的管道特性曲线并与水泵曲线相交,见图5。

可见,该工况下系统的回水流量为30.4 m3/h,此时对应的最不利用水点Pm水压为13.05 m,系统压力最低点P2压力为5.5 m。实际回水流量远大于设计回水流量[7-9]。

2.2 系统同时通过设计流量和循环流量时

根据GB 50913—2013医药工艺用水系统设计规范[10],系统回水流量与设计流量比值宜大于1∶1。本例Q供=10 m3/h,回水流量:Q回=10 m3/h。亦是选取1∶1。

在系统用水时,设计用水量Q供需要转化到末端回水口流出,回水流量Q回本就是在回水口流出,不需要转化。根据式(4),利用回水流量与用水流量的比值,可以得到转化后系统每一个流量点对应的水泵扬程与转化前每一个流量点对应的水泵扬程的比值(见式(5)):

(5)

其中,λ为转化后每一个流量点对应的水泵扬程与转化前每一个流量点对应的水泵扬程比值。

按上述压力损失比例关系绘制出系统用水达到设计流量时的注射水的管道特性曲线与水泵曲线相交(见图6)。

可见,该工况下系统内通过的流量为37.1 m3/h,此时对应的最不利用水点Pm压力为11.9 m,压力最低点P2处压力为1.12 m。

计算结果仍是远大于设计用水流量与设计回水流量之和,并且与仅通过回水流量的工况相比,这种系统的流量更大。这是由于管道特性曲线中逐个流量点对应的压力损失项减小至原来的2/3,曲线变得相对平缓,相当于减小了系统的阻力系数,所以导致通过流量增大。

2.3 计算结果分析

具有一定高差的注射水分配系统,因选择水泵扬程时需要满足最高层最不利用水点的工作压力[11-12]。相对同层供应的注射水分配系统,水泵扬程一定是相对较大的。

系统回水口的高度与水泵吸水侧液面的高度近似一个储罐的高度(大多在1 m～2 m),这个高度相对水泵扬程占比很小。所以水泵的扬程大部分转化为系统的压力损失,系统通过的流量相对较大。在系统上控制阀门全开时,势必会出现远大于设计工况的流量。在设计时需要预判这种极限流量。

解决流量过大问题在系统调试中大都可以通过调节回水管段的控制阀来实现:关小阀门开启度的过程即是增加系统的阻力系数的过程,必然会逐渐减小系统流量直至设定值。在流量减小到设定值后,系统最不利用水点Pm和最低压力点P2处的压力亦会随之回升。

3 结论与建议

1)常见的注射水系统运行时是开式系统。水泵的有效扬程全部转化为系统的压力损失,回水口速度水头与储罐回水口至最低液面的高程[13-14]。管道特性曲线法可以确定系统运行的最大流量、最不利点压力等参数且具有足够的精确度。2)具有一定高差的注射水储存分配系统,因水泵扬程相对较大,系统调试时往往会出现远大于设计工况的回水流量,并可能造成局部配水段用水点失压。此时必须要增加系统阻力系数或适度减少水泵扬程以达到控制流量的目的。措施包括:关小回水管段的控制阀门;减小回水段的管径;利用变频技术降低水泵的输出压力等等。从流量调节的范围看,阀门调节优于水泵调速;从系统节能方面看,水泵调速优于阀门调节[15-16]。3)系统配水管段各用水点剩余压力取决于配水管段与回水管段的压力损失值占比,设计时须保证回水管段部分的压力损失相对整个系统压力损失具备一定的占比以上(笔者推荐回水段压力损失与配水段压力损失比值宜大于1∶1),否则易导致配水管段各用水点压力偏低。增加回水段的压力损失的措施有:关小回水段控制阀门开启度;回水口设置喷淋装置;减小回水段的管径或适当增加回水段管道长度[17]。4)最高层回水管与回水立管连接位置是系统压力的最低点。该点压力P2为最不利用水点工作压力减去从最不利点到该点的压力损失,并随回水流量增大而减小。系统设计不妥,运行不稳定导致回水流量增大,或者水泵出口压力突然减小时,P2压力会减小甚至出现负压,当减小至对应温度的饱和蒸气压力时即发生汽化。设计时需要注意校核该点压力。改善措施包括:适度提高系统压力并尽量减小最不利用水点Pm与P2点的管道长度,且该部分管道宜与配水管道管径一致,不宜变径。5)对于设置了回水口喷淋装置的注射水储存分配系统,在应用管道曲线法时,需要根据喷淋装置本身的出流量公式:Q=f(P),将出流量转化为末端压力,替换前文所述的速度水头项。回水口喷淋装置本身相当于一个局部阻力很大的管道配件。设置喷淋装置不仅可以避免形成滋生微生物的死角,确保储罐内表面随时处于湿润更新状态,还可有效分配回水段与配水段压力损失,对稳定用水点的压力,改善系统水力条件也是很有利的。