负压罐引水装置计计要点

苗田林¹，王屹²，刘家平¹
(1．青岛市环保局李沧分局，山东 青岛 266041；2．青岛市排水管理处，山东　　 青岛　　 266071）

　　摘要：负压罐引水装置是一种简单实用，安全可靠的水泵吸水装置，被广泛采用。针对该装置在运行中存在的问题，从设计选用及设置要点两个方面进行阐述，供设计时参考。
　　关键词：负压罐； 自灌式；真空度
　　中图分类号：TU821．5　　 文献标识码：B　　 文章编号：1009—2455(2004)05—0063—03

　　负压罐是一种水泵吸水装置，可使水泵由抽吸式吸水变为自灌式吸水，简单实用、安全可靠，被广泛采用。然而，某些实际工程常出现如下问题：①罐体容积偏小；②忽略了水温对水泵吸水的影响；③缺少与补气式气压罐联用时的必要条件；④水泵选择不合理(吸程偏小)。上述问题都能影响水泵正常运行供水。究其原因，不外乎设计不合理，对其工作原理不甚清楚，仅凭大概选用，或忽视了不同情况下的设置条件而致。
　　本文就负压罐在应用中容易出现的问题，设计原理及设置要点方面进行分析，找出原因，求发挥负压罐的作用。

1 负压罐设计原理及其选用

　　负压罐设计选用首先涉及到容积及相关尺寸的确定^[1]，如图1所示，其容积由三部分组成。

　　V=V₁+V₂+V₃ （1）
式中：V——负压罐容积，m3；
　　 V₁——负压罐初次灌满水时罐内空气的容积，m³；
　　 V₂——罐内空气压强由P_a(为本地大气压)降到P₁，两水面间的容积，m³；
　　 V₃——保护容积，m’。
　　容积确定可分为计算法和估算法两种,现分述如下：
1.1 计算法
1.1.1 计算公式
　　如图1，水泵启动前先充水至2-2断面，此时罐内空气压强为当地大气压Po，然后启动水泵至正常运行状态时，水位降到3-3断面，罐内空气压强降至P₁。
　　根据汲义茶定律有：
　　P_a(V_g+V₁)=P₁(V_l+V₂)　　　　 (2)
　　写出断面0-0和1—1能量方程(以0-0断面为基准面)
　　P_a/γ=H+P₁/γ+υ²/（2g)+h_ω
　　即：P_k=P_a-P₁=γH+γυ²/(2g)+h_ω (3)
　　令 Pa/(Pa-Pk)=m,将（3）式代入（2）式得：
　　V₂=mV_g+(m-1)V_{1　　　　　　　　 (4)}
　　或 h₂=m(d/D)²·L+(m-1)h₁　　 (5)
　　将式(4)、(5)代入(1)，则有：
　　V=m(V_g+V₁)+V₃　　　　　　　　 (6)
　　或 h=m[(d/D)²×L+h₁]+h₃　　　　 (7)
式中：P_a——本地大气压，kPa；
　　 P₁——水泵正常运行时罐内空气的绝对压强，kPa；
　　 P_k——水泵正常运行时罐内真空度，kPa；
　　 V_g——负压罐吸水管容积，m³；
　　 H——水池最低设计水位与吸水管出口间标高差，m；
　　 L——负压罐吸水管总长度，m；
　　 D——负压罐直径，m；
　　 d——吸水管直径，m；
　　 h_ω——吸水管总水头损失，kPa；
　　 υ——吸水管流速，m/s；
　　 γ——水的容量，kN/m3；
　　 g——重力加速度，m/s²。
1.1.2 计算步骤
　　①对负压罐、水泵及管路进行平面布置，负压罐水管长L基本确定，在根据流量及流速要求（吸水管流速一般小于1.2m/s）确定吸水管管径d。
　　②h₁和h₃根据构造确定，建议h1=0.1～0.15；h3=d+0.2m。
　　③初定D，h/D不宜过大，建议h/D=1.2～1.5为宜，以降低Pk值。
　　④因为P_k=γH+γυ²/(2g)+h_ω＝γ[H+(1+λL/d+ξ)υ²/(2g)],其中γ，λ，L，d,ξ,υ均已知，故Pk为已知，所以m=P_a/(P_a-P_k)可以计算出。
　　⑤按式(6)、(7)可计算V和 h。
　　⑥校核h／D是否合理，否则应调整重新按上述步骤计算。
　　⑦P_k应小于所选水泵的允许吸上真空度P_s,注意计算水泵扬程时，应考虑到负压罐内为负压这一点。
1.2 估算法
　　负压罐P_k=γH+γυ²/(2g)+h_ω，H为吸水高度，根据常用水泵吸程H_s值，水泵吸水高度通常不超过6m，吸水管长度上一般不超过10m，若按L=10m计，(γυ²/(2g)+h_ω)可按γ（1+λ（L/d）+ξ）υ²/(2g)进行详细计算，也可根据吸水管径d和流速v查水力计算表得i值，并按h_ω=1.25i·L粗略计算，经验算(取d=40～300mm，v<1.2m／s，(γυ²/(2g)+h_ω)在3～9kPa范围内，取10kPa，那么m值的范围见表1，从表1可知，m值在1.25-3.5范围内，在将V₁和V₃的容积考虑进去，(V1和V3由构造确定，但二者之和占总容积比值较少)，经综合考虑取m=4.0～4.5。
　　即：y≈(4.0-4.5)V_g是可行的。　　
　　估算法简便，只要把V_g算出，马上可确定罐容积V的大小，再根据h／D的要求，确定罐体的高度h和直径D，并能满足工程要求。

表1　　 m值的取值范围

H/m (γυ²/(2g)+h_ω)/kPa P_k/kPa (P_a-P_k)/kPa m=H_a/(H_a-H_k)(取大气压Pa=100kPa 1 10 20 80 1.25 2 10 30 70 1.43 3 10 40 60 1.67 4 10 50 50 2.00 5 10 60 40 2.50 6 10 70 30 3.33

2 设置要点

2.1 带底阀的负压罐引水装置
　　在负压罐吸水管上设底阀时，由式(6)知，V=mV₁+V₃，其容积可减少很多，如果在水泵吸水管和负压罐排气管之间再连接一条吸气管，如图2所示，不仅能减小罐容积，而且能保持水泵长期稳定运行。吸气管的作用是将由水中分离出来的气体及时随水流排走，不会积存于罐内，这样可长期稳定运行。

2．2 负压罐与气压罐组合给水系统
　　如图3所示，当补气罐及水泵出水管上止回阀以前的管道水容积较小时(小于负压罐容积V₂)停泵后，在补气罐补气过程中，外界空气有可能进入负压罐，破坏了真空度，在下次启泵时不出水，这种情况在实际工程中曾发生过，后将补气罐容积加大而得到解决。解决方法可适当加大补气罐容积或增加一个浮球式补水箱。

2．3 选泵与水温
　　负压罐引水装置在选泵时应注意以下问题：一是正确计算水泵扬程；二是注意水温^[2]。
　　负压罐能使水泵实现自灌式吸水，但这与水池或开式水箱的自灌式吸水条件不同，它是在负压条件下吸水，所以在确定水泵静扬程时应从水池最低设计水位算起，当从负压罐水位算起时，要把罐内的负压值考虑进去。
　　负压罐装置用于循环冷却水或某些水温较高的工业废水(如印染废水)时，要特别注意水温这个条件，以免水泵产生气蚀，当依照流量和扬程选好水泵后，要根据实际水温对水泵的允许吸上真空度H_s进行修正("。是标准状况下水泵的允许吸上真空高度，修正公式略)，使修正后的H_s不得小于P_k，否则会产生气蚀，破坏水泵正常工作，这种情况在实际工程中也发生过。

3 小结

　　负压罐引水装置虽然简单，但在选泵及负压罐容积确定方面要进行正确计算，同时要注意其它条件，如水温、吸水高度、与气压供水设备联合使用情况等，此外罐体必须密封，否则都会影响系统的正常供水。

参考文献：
[1] 姜文源．气压给水技术[M]．北京： 中国建筑工业出版社，1993．
[2] 何俊雅．建筑给水排水设计[M]．北京：中国建筑工业出版社，1983．

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作者简介：苗田林(1968—)，男，山东青岛人，工程师。