气水冲洗技术在北京市自来水管网建设中的应用

何金胜+郑少博+肖健

摘要：气水冲洗技术基于“二相流”理论，通过向给水管道内间歇地加入压缩空气，提高管内冲洗水流速度，增强管内水体紊动及管道震动，从而提高冲洗效果。文章通过介绍气水冲洗技术的理论和工艺机理、工艺系统和工艺特点，对其应用现状进行分析，然后对应用效果和应用前景进行探讨，以期为自来水管网建设项目提供借鉴。

关键词：气水冲洗技术；压缩空气；自来水管网建设；水流速度 文献标识码：A

中图分类号：TU687 文章编号：1009-2374（2017）06-0165-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.083

新建自来水管道并入管网前需要进行冲洗、消毒等功能性试验，其中要使用大量的水进行冲洗，才能实现浊度小于1NTU的并网控制指标。水流速越高，对管道内壁的冲刷效果越好。《给水排水管道工程施工及验收规范》中规定的最小冲洗流速为1m/s。

实践中，城市管网边缘管道冲洗时或“小管冲大管”时，由于始端流量小，冲洗时无法满足规定流速；当一次冲洗管段较长时，水头损失过大，管道末端无法满足规定流速；穿越特殊障碍的倒虹吸管段，用常规的“水力冲洗法”很难将沉积于底部的砂石推出；城市核心区域管道冲洗时，流速为1～2m/s，虽可满足规定，但是冲洗用时长、耗水量大。

对于北京这样一个对水质要求高又严重缺水的大都市，提高冲洗效果，节约用水是城市可持续发展的战略课题。北京市自来水集团与哈尔滨工业大学合作研发出气水冲洗技术，提供了一种解决方案。

1 气水冲洗技术简介

1.1 理论基础

（1）气水冲洗技术是基于“水平管二相流”理论，通过将一定压力与流量的压缩空气按照一定频率间歇地压入冲洗管道内，使管道内形成“段塞流”，“段塞流”对去除管壁的附着物和管道内的沉积物起主要作用；（2）三相流理论：水、气、渣三相混合，增大流体质量，共同作用于管壁；（3）脉冲理论：能量骤聚骤放；（4）局部水击理论：在气水混合条件下，利用空气的可压缩性，使管道中的水流速度发生变化，形成局部水击。

1.2 工艺机理

压缩空气进入管道后会产生四种作用效果：（1）在压缩空气产生的脉冲压力波作用下，段塞体的流速被逐渐提高；（2）压缩空气与水流混合，产生强烈的紊动；（3）脉冲压力波的冲击下，管道会产生震动；（4）脉动压力变化又使管道产生“扩张—收缩”交替的弹性变形。

在第（1）、（2）种作用下会使水流与管壁间的切应力增大，从而提高对管道的冲刷效果；在第（3）、（4）种作用下会使管内附着、沉积物被剥离后随冲洗水流走，提高了冲洗效果。由于气水冲洗技术可以产生以上作用效果，所以该技术既可用于新建管道并网冲洗，又可用于在役管道去除“生长环”（即“老管”、“除垢”）的冲洗。

1.3 工艺系统

气水冲洗工艺系统由空压机、储气罐、脉冲发生器、流态控制仪、进气通道、消能箱等设备组成，如图1所示。空压机、储气罐的作用是稳定地提供满足压力、体积需要的压缩空气；脉冲发生器、流态控制仪、进气通道的作用是控制进入管道的压缩空气脉冲频率与通道数量；消能箱的作用是减缓出水流速、避免冲坏排水设施。

1.4 工艺特点

（1）水连续地进入管道，冲洗过程中不关闸切断水流；（2）压缩空气的压力、流量与水压、水流量相匹配；（3）用计算机控制进气；（4）采用信息反馈式操作，即通过观察出水口流态及检测出水浊度，动态调整冲洗控制参数。其中以出现高速段塞体作为流态控制指标；根据时间-浊度曲线中显示的浊度变化趋势作为浊度控制指标。

2 应用现状

2.1 应用范围

在北京市，气水冲洗技术目前主要运用于DN600口径以上的新建配水管道并网冲洗及在役无内衬钢管的水质消隐中。

2.2 设备选型

大口径管道气水冲洗需要具备排气量大、压力稳定、环保等特点的空压机及储气罐。北京市自来水集团拥有多台阿特拉斯科普柯XAMS1150CD7型空气机，其排气量为32m3/min、额定工作压力8.6bar；并拥有与之配套的10m3储气罐。可以完成DN1400以下管道的冲洗。

2.3 参数设定

通过对理论计算及试验后的结果进行分析认为：采用始端进气时，一次冲洗管段长度应在5km以内；当一次冲洗长度大于5km时，在管段中间增加进气点。进气点确定后，依据来水管道口径、压力、冲洗管道口径、冲洗管段的纵断位置等条件，计算确定进水量、进气通道的数量、进气压力等初始冲洗参数。

2.4 作业方法

（1）在距离进水闸下游5D～10D处的管道上，开设三通，安装进气盘及进气立管。三通的大小应能容纳下所有进气立管；（2）临时放水管线直径不应小于0.5倍的冲洗管道直径，下游市政排水管道的直径不宜小于2倍冲洗管道直径。临时放水管线及消能箱应垫稳，冲洗时用挖掘机等机械按压住；（3）管道串水时，将沿线的排气阀全部开启放气，待管道充满水后再关闭排气阀；（4）按初始冲洗参数及经验配气方案进气。根据出水口的流态及浊度的信息反馈，动态调整进水量、进气量、进气压力等冲洗参数及配氣方案；（5）待时间-浊度曲线斜率平缓后，即现场实测冲洗水的浊度<10NTU后，逐步减小进水量、进气量，直至浊度<1NTU；（6）当浊度基本达标后，停止进气，变气水冲洗为水力冲洗。

2.5 案例一

某新建给水管道位于北京市城市管网边缘，管道口径为DN800，管段长度为2130m，全线有2处约7m深的“倒虹吸”段，冲洗来水管道口径仅为DN200。由于来水水量太小，无法用常规的水力冲洗法完成冲洗，只能利用气水冲洗技术，对管道内“泡管”水体进行加速来完成冲洗工作。冲洗参数：DN200进水闸门全开、11个进气通道、进气压力0.6MPa。经过约3.5h的气水冲洗，水质达标，总用水量约1500m3。

2.6 案例二

北京市市郊某大型企业内部给水管道，建成于1980年，管道口径DN400，管段长度约9.2km，为无内衬钢管，停运8年后因企业生产需要再次启用。此时，管内“生长环”厚达100mm，其最外层为黑褐色絮状附着物。管道冲洗的目的是去除管内“生长环”，保证后续安全供水。因一次冲洗管段长度达9.2km，故于起点及管段中间位置，分别设置进气点。冲洗参数：DN400进水闸门全开、3个进气通道、进气压力0.7MPa。经过累计约15h的气水冲洗，水质达标，总用水量约5000m3。

3 应用效果

（1）水流速度快，能保证管道冲洗质量；（2）节水效果明显。经统计，节水率约为55%；（3）在水量、水压不足的情况下也能完成管道冲洗，可以實现“小管冲大管”；（4）可冲洗复杂管路，如较大的倒虹吸管段；（5）既能用于新建管道并网前冲洗，又能用于在役管道冲洗，去除管道的“生长环”；（6）可根据出水流态及水质情况，对加气压力、加气量进行动态调整。

4 应用前景

4.1 节约可饮用清洁水资源

以2015年为例，北京市区给水管网冲洗耗水量约为1300万m3，按节约60%保守估计，则可节约水资源780万m3，相当于北京市3～4天的用水量，相当于约4个昆明湖的水量，每年可节约近7000万元的水费。

4.2 更加有效地保障管网水质

在现有运行的管网中，定期、分区域、有计划、有步骤地运用该技术进行冲洗，可消除因管道老旧影响水质的隐患，保障管网水质。

（1）为了保证给水管网水质，世界上主要发达国家，如英国，就制定并执行严格的冲洗制度，并取得了非常好的效果；（2）针对管网中易发生水质事故的区域，重点进行有针对性的、“手术刀”式的定点冲洗，可大大消除水质事故隐患。

4.3 更加有效地保障用户水质

为了扩大水质保障的范围和深度，可对现有的设备进行深度优化，研发更为小型、便携的设备，将水质保障的范围延伸至成片的老旧小区、老城区内的胡同以及居民楼里的给水立管，最大限度地保障接近用户的“最后1km”管网中水质，使合格的自来水最终抵达千家万户的家中。

4.4 更加有效地保障重点地区、重点用户的水质

北京作为全国的政治、经济、文化中心，党和国家领导机构的办公常驻地以及每年在此举办数目众多的重大活动，对水质保障提出了更为严格的标准。这就要求在正常用户的冲洗周期基础上，加大冲洗的频次，必能更加有效地保障重点地区、重点用户的水质。

5 结语

综上所述，气水冲洗技术的核心是通过间歇性向管道加入压缩空气，产生脉冲压力波提高冲洗水流速度，从而提升冲刷能力；无论对新建管道或在役管道的冲洗，都能产生很好的效果，符合提升水质、节约用水这一北京供水战略需要。通过与高校持续合作，利用其科研优势，能充分调动北京市自来水集团在设备、资金、管理上的庞大资源，不断创造更大的社会及经济效益。

参考文献

[1] 赵洪宾，李欣，赵明.给水管道卫生学[M].北京：中国工业建筑出版社，2008.

作者简介：何金胜（1982-），北京人，北京市自来水集团禹通市政工程有限公司工程师，研究方向：城市供水技术。

（责任编辑：小 燕）