真空排污系统输送机理及系统优化研究

论文摘要

真空排污是一种具广泛运用潜力的工程技术。目前,国内外对真空排污系统的设计计算原理及方法研究还有待深入,国内尚无真空排污系统的设计规范或标准。论文对真空排污管网中空气-污水多相流压力损失计算模型、真空排污系统输送能力以及真空排污系统参数设计计算方法进行了深入的研究,同时对真空排污技术规范展开了探讨,旨在提高真空排污系统的可靠性和经济性。分析了污水流变特性及污水在管网中输送过程,将管中复杂的气液固三相流简化为两种类型气液两相流:（a）空气-污水牛顿流体气液两相流;（b）空气-污水非牛顿流体气液两相流。以此为基础,重点研究了真空排污管网中空气-污水牛顿流体气液两相流的压力损失模型。基于分相模型和Lockhart-Martinelli公式理论导出了真空排污管路摩擦压力损失计算模型,该模型反映出真空排污管路摩擦损失随着污水流量的增大而成1.75幂指数方倍增加,随着管径的增大而成4.75幂次方减少。与传统计算模型相比,本文所建立的摩擦压力损失计算模型计算结果更接近实验结果。基于上述已建立的摩擦损失计算模型,确定了污水最大设计流量与管径的对应关系;基于两相流理论中的回流条件导出了不同管径下使污水提升的最小气流速度约为20～45m/s;在运用上述已建立的摩擦损失计算模型及借鉴国外相关资料的基础上,分析了污水流量、气液比、真空度、压力损失、管径等参数间关系,并探讨了真空泵站集水能力与真空泵动力的关系以及最大收集半径问题。在地势平坦的条件下,真空排污管道系统理论上最大服务半径可达2800～4500米。在实际工程中,管道因爬坡增加提升损失,收集半径会相应减小。一般情况下,一个中心真空泵站的收集半径按2500米考虑。为了增大污水收集半径,本文还对管道系统布设、系统真空度及气液比选择等措施进行了分析。应用本文已建立的管道摩擦压力损失计算模型、管网关联矩阵和改进的遗传算法建立了大中型真空排污管网的优化设计计算方法,并建立和完善了真空站相关参数的设计计算方法。其一,为了提高管网计算的精度和速度,基于本文已建立的摩擦阻力损失计算模型及管网关联矩阵构建了各管段的设计流量、压力损失及节点真空度等水力参数计算方程组的表示式。其二,建立了一个以管网工程造价为目标函数和以各节点真空度要求、节点流量平衡条件等为约束条件的管径优选的数学模型。同时,为了更准确、快速地求解此数学模型,本文对基本遗传算法的编码、选择算子、交叉算子、变异算子以及部分参数的设置采取改进措施,设计了改进的遗传算法。在上述工作基础上给出了真空排污管网优化设计计算的具体步骤。其三,根据气体质量守恒方程导出了储能罐容积计算式,储能罐最小容积不仅取决于真空站工作压力范围及其维持时间,还取决于污水收集罐和管网的容积。同时根据3类常用真空泵的优缺点、污水收集罐所需真空度和管线最大压力损失值,确定了真空泵选型方法:当管线最大压力损失小于4米高水柱时,选用水环式真空泵,当管线的最大压力损失大于4米水柱时,选择滑阀型式真空泵、旋转片式真空泵等具有更高真空度的真空泵;然后根据真空泵抽气量选择真空泵型号,并由真空泵的抽气时间校核真空泵抽气量和储能罐容积是否保证真空泵工作时间在1～3分钟。其四,以一个2000户社区的真空排污系统的设计计算为例,在管长、设计人数、提升级数、提升高度等参数相同的条件下,分别运用了优化设计计算方法和传统设计计算方法对各管段的设计流量、管径、压力损失和节点真空度进行计算,并将管网计算结果分别运用于真空泵、排污泵、真空储能罐、污水储能罐的选型及相关参数设计之中,结果表明了:比传统设计计算方法相比,本文优化设计计算方法能获得一组直接以市场规格管径表示的较优管径组合方案以及选用更小容量、更小功率的真空泵,既可满足系统可靠性要求,又可降低系统的建设成本和运行成本。此外,对某市铁路站场真空式地面排污系统和某市中心人民医院室内真空排污系统分别进行了设计。在上述工作的基础上,并消化、整理国外相关资料以及结合科研组的研究,编写了《真空排污系统设计规范》（草稿）（作为论文的附录B）,基本涵盖了对系统设计的总体要求及有关气液动力学设计、真空管网设计、真空站设计、污水真空收集阀井设计、管网压力检测系统设计以及真空排污系统安装、测试和校验等内容。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外相关技术研究现状及分析
• 1.3 论文的组织结构
• 2 真空排污系统组成及其关键技术
• 2.1 真空排污系统组成
• 2.2 真空排污系统的关键技术问题
• 2.3 本章小结
• 3 真空排污管道污水输送机理
• 3.1 生活污水流体模型
• 3.2 真空排污管道内多相流简化
• 3.3 真空管网中的气液两相的运动波分析
• 3.4 污水在真空管网中逐级输送机理和技术
• 3.5 真空排污管道输送模拟实验
• 3.6 本章小结
• 4 真空排污管道多相流压力损失模型
• 4.1 真空排污管压力损失组成
• 4.2 基于分相模型研究管内空气－污水牛顿流体摩擦损失
• 4.3 基于分相模型研究管内空气－污水非牛顿流体摩擦损失
• 4.4 基于流型模型研究管内气液两相牛顿流体摩擦损失
• 4.5 本章小结
• 5 真空排污系统的输送能力
• 5.1 基本水力参数
• 5.2 集水能力与真空泵动力的关系
• 5.3 真空排污系统的最大收集半径估计
• 5.4 本章小结
• 6 真空管网与真空站优化设计计算方法
• 6.1 真空管网结构模型
• 6.2 真空管网传统设计计算方法
• 6.3 真空管网优化设计计算方法
• 6.4 真空站优化设计计算
• 6.5 本章小结
• 7 设计举例
• 7.1 2000 户社区真空排污系统设计
• 7.2 某市铁路站场真空式地面排污系统设计
• 7.3 某市中心人民医院室内真空排污系统设计计算
• 7.4 本章小结
• 8 《真空排污系统设计规范》（草稿）编制
• 9 总结与展望
• 9.1 本文工作总结
• 9.2 本文的创新之处
• 9.3 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 作者在攻读博士学位期间发表的论文
• 附录B 真空排污系统设计规范（草稿）
• 附录C 科研组研制的真空污水收集排放装置实物照片
• 附录D 真空排污管内两相流实验现场照片
• 附录E 实验参数及其测量（或计算）方法
• 附录F 某市铁路站场真空式地面卸污系统部分设计图纸