一種循環管網水質綜合模擬試驗系統的製作方法

2023-05-08 17:33:11

專利名稱：一種循環管網水質綜合模擬試驗系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及飲用水給水管網的試驗模擬系統技術領域，特別涉及一種循環管網水質綜合模擬試驗系統。
背景技術：
給水管網是城市給水系統中的重要組成部分，其作用是把經水廠淨化後的符合國家生活飲用水水質標準的水輸送至用戶終端。我國多數自來水廠出水水質的各項指標都能達到或優於國家飲用水水質標準，但通過管網輸送至用戶時，往往達不到標準甚至危及用戶身體健康。資料表明，自來水廠的水從出廠到用戶，水質呈現明顯降低的趨勢，主要表現在鐵、錳、色度、濁度、細菌總數等在水中的含量增加，甚至超過國家標準，這在國內很多水廠的實際運行中都有所發現。此外，儘管水處理技術的飛速發展充分保證了處理後水質的安全、衛生，但是，管網中的二次汙染問題已成為影響出水水質無法達標的主要因素，是水質研究工作和水質處理研究工作的重點。給水管網就像一個敏感的、動態的和具有自身特性的巨大反應器，水由於在管道內滯留時間過長，本身不斷受到再次汙染，在管道內發生著複雜的物理、化學及生物學變化，導致管道內衛生狀況的下降。根據《城市供水行業2000年技術進步發展規劃》中對國內34個主要城市管網水質資料進行統計，地表水水廠出廠水基本穩定的佔21%，腐蝕性的佔50 %，輕微結垢的佔四％。地下水水廠出廠水基本穩定的佔50 %，有腐蝕性的佔30 %，輕微腐蝕性的佔20%。對佔全國總供水量42. 44%的36個城市調查，出廠水平均濁度為1. 3 度，而管網水增加到1. 6度；色度由5. 2度增加到6. 7度；鐵由0. 09mg/l增加到0. llmg/1 ； 細菌總數由6. 6cfu/ml增加到29. 2cfu/mL·某城市發現供水管中管垢的厚度達16 20mm， 赤色，有腥味，含16種金屬元素，檢出鐵細菌、埃希氏大腸桿菌等6種微生物(詳見秦秋莉、 陳景豔，我國城市供水安全狀況分析及保障對策研究，水利經濟，2001. 5)。根據上海、天津等市定期測定管網粗糙係數統計，發現無防腐措施的管道輸水能力已降低了 1/3以上。管道結垢、輸水水質惡化，管道輸水能力下降已成為城市供水管網普遍存在的現象。隨著我國城市建成區的擴大和城鄉一體供水方式快速推進及社會的進步和人民生活水平的提高，居民對於飲用水的要求已經不再僅僅局限於壓力和水量的保障，而是更多的關注水質問題，城市供水管網的水質穩定及安全問題日趨迫切。飲用水水質不僅要在出廠時達標，而且需要在用戶水龍頭處達標，符合飲用水水質標準。而作為飲用水輸送中最重要，也是最敏感的環節-給水管網的衛生則是保障最終龍頭出水水質安全的前提和基礎。研究管網內水質變化機理，提出並驗證相關應對技術措施，是確保管網內部衛生和保障最終管網末梢出水水質安全的關鍵所在。開展以上研究工作，管網試驗研究是基本手段，可以通過三個層次的試驗手段來實現。最直接的是開展現場試驗，但存在外部條件不可控，很難開展針對性的定量研究的問題，更為關鍵的是試驗管網涉及千家萬戶，不能輕易投加試驗的藥劑；最簡單的是進行室內燒杯試驗或搭建簡單的局部反應器試驗，但這類試驗水樣少，不能做長時間循環試驗，與實際管道的真實工況比，存在嚴重的試驗失真問題。因此國內外不少研究機構均傾向採用循環管網模型的試驗裝置對真實管網進行高仿真模擬，提供全景展示和分析。在現有技術中，國內外的循環管網水質模擬試驗系統均採用開式循環方式，即循環管道迴路中連接有一個低位蓄水池，水流經管路後流入蓄水池，然後通過提升泵，將水提升到管路系統中進行循環。該蓄水池即是試驗原水調配水池又兼有排氣作用，但由於每次循環水樣流經蓄水池時均與空氣大面積接觸，會影響循環水質；並且原水水池參與管網循環試驗，水流條件與實際管網存在一定差異，導致模擬效果與真實管網存在較大偏差。而且，整個循環管網試驗系統管路循環設計很簡單，循環距離較短，因此存在著模擬失真、可控參數少、水質研究的範圍窄、難以研究工況及內部生境等技術缺陷，並不是實質意義上的循環管網水質綜合模擬試驗系統。此外，現有技術的開式循環管網水質模擬試驗系統也無法對循環管路內滿管流加壓控制，不能模擬真實的給水幹管管網的有壓運行環境。

發明內容
本發明提供了一種循環管網水質綜合模擬試驗系統，在整個循環管網水質綜合模擬試驗系統中，各部件相互配合，仿真度高、可模擬實際的給水幹管管網系統。一種循環管網水質綜合模擬試驗系統，包括供水子系統以及與供水子系統連接的獨立循環管網子系統；所述的供水子系統包括帶進水口、出水口和藥劑注入口的供水水箱；所述的獨立循環管網子系統為包括通過管道串聯的主循環泵、電磁流量計和高位補水排氣水箱的迴路；所述的迴路設有進水口，所述的迴路的進水口與供水水箱的出水口通過帶第一閥門的管道連通；所述的迴路在靠近高位補水排氣水箱的進水口和靠近高位補水排氣水箱的出水口的位置分別設有第二閥門和第三閥門；所述的迴路連有與由第二閥門、高位補水排氣水箱和第三閥門串聯組成的支路並聯的帶第四閥門的第一管道支路、用於為迴路補充水的補水系統、用於排出迴路中水的放空支路和用於監測迴路中水的水質的水質監測系統；所述的補水系統包括串聯的實驗水加注罐和實驗水加注泵，所述的實驗水加注泵的出口與迴路連通，所述的實驗水加注罐的入口與供水水箱的出水口連通；所述的供水水箱和高位補水排氣水箱的頂面接近於同一水平面，所述的水平面位於所述的循環管網水質綜合模擬試驗系統的水平最高位置，所述的主循環泵的放置位置低於供水水箱和高位補水排氣水箱的放置位置；所述的高位補水排氣水箱包括箱體和位於箱體內的活塞狀浮蓋，所述的活塞狀浮蓋與箱體內壁之間留有空隙；所述的活塞狀浮蓋的密度小於水的密度。所述的供水水箱為循環管網水質綜合模擬試驗系統提供水源，所述的供水水箱的出水口一般位於供水水箱的底部，即供水水箱的底面或者靠近供水水箱底面的供水水箱的側壁，這樣，供水水箱中的水能更好地流動到獨立循環管網子系統中，更好地為獨立循環管網子系統供水。供水水箱的水源，一般採用自來水通過供水水箱的進水口直接供水或者儲水車運來後通過供水水箱的進水口直接灌入供水水箱，也可以根據試驗需要，通過藥劑注入口投加藥劑進行按需調配，得到所需的供水水源。
為了讓供水水箱中的水不受汙染和順利地將供水水箱中的氣體排出，所述的供水水箱的頂部蓋有面積略大於供水水箱頂面的供水水箱防塵蓋；所述的供水水箱的側壁頂部設有用於排氣的通孔。所述的供水水箱連有帶混合循環泵的第二管道支路，所述的第二管道支路的兩端分別與供水水箱連通；所述的第二管道支路的兩端之間最好存在高度差，如第二管道支路的一端設在供水水箱底面或者靠近供水水箱底面的供水水箱側壁，第二管道支路的另一端設在水箱頂面或者靠近水箱頂面的供水水箱側壁。這樣，供水水箱的第二管道支路的兩端之間就有一定的高度差，在混合循環泵的作用下，供水水箱中的水從第二管道支路的一端 (即管道支路的低端)出來，再從第二管道支路的另一端(即管道支路的高端)進去，使得供水水箱內的水進行充分攪拌，最終混合均勻。所述的主循環泵為獨立循環管網子系統的管道中的水循環運行提供動力，使得獨立循環管網子系統的管道中的水能有穩定的流速，優選地，主循環泵的底面位於循環管網水質綜合模擬試驗系統的最低水平面，以便獨立循環管網子系統的管道中充滿來自供水水箱的試驗水時，主循環泵內腔體也能充滿水，啟動主循環泵為獨立循環管網子系統的管道中的水提供動力。流速的控制採用主循環泵的變頻控制完成，流速的測量可採用電磁流量計。所述的放空支路由放空閥和系統放空管組成，把做完模擬試驗後的循環管網水全部排出，然後通過供水水箱再重新灌水，開始新的試驗。所述的補水系統中可採用串聯的實驗水加注罐和實驗水加注泵，同時還可以設置電磁流量計對補水量進行反饋，該補水系統主要是在初始化時可提供動力，使得進入循環管網子系統高位排氣補水水箱中的試驗原水液面高於供水水箱液面，這樣供水水箱中的試驗原水可大部分進入獨立的循環管網子系統中，節約原水損耗。當水質監測系統由於監測採樣的需要，造成獨立循環管網子系統的管道中的水減少時，鑑於採樣的水是非常少的，可以通過高位排氣補水水箱中的參與循環的蓄水完成補水，當循環管網子系統的管道水量補水量比較大時，即循環管網子系統的管道進行排氣後需要補充較大量的水或者高位排氣補水水箱的水位比較低時，可以採用補水系統進行補水，使得在高位排氣補水水箱始終有蓄水，保持在合適水位，防止空氣進入到循環管網子系統的管道中。雖然國內外管網模擬系統中設有水箱以排除管路內的空氣，避免循環迴路內出現真空進而產生失穩和振動。但是現有的水箱為敞口的箱體，這種結構的水箱將不可避免使得水樣在循環過程中有與空氣接觸的機會，引起每次循環中水質性質的改變，導致管網模擬的仿真度下降，使研究結果出現較大的偏差。為此，在本發明循環管網水質綜合模擬試驗系統中，獨立循環管網子系統中的高位補水排氣水箱設有與底面形狀相同的活塞狀浮蓋， 所述的活塞狀浮蓋水平放置於高位補水排氣水箱內，並與高位補水排氣水箱內壁之間留有空隙，所述的活塞狀浮蓋的密度小於水的密度，這樣活塞狀浮蓋就能在高位補水排氣水箱中的水位上升或下降做活塞式運動，在確保排空管路內氣體的同時儘可能的減少循環水流與管外空氣接觸的機會，保證模擬管路水質與真實管網一致。對密度的要求主要是為了使活塞狀浮蓋能上浮，所述的密度是指活塞狀浮蓋整體的密度，並非是活塞狀浮蓋的材質的密度，如活塞狀浮蓋可以採用由薄不鏽鋼板製成的中間充滿空氣的封閉式活塞式浮蓋，這樣的活塞式浮蓋也能浮在水上，滿足本發明對於活塞狀浮蓋的密度要求。
所述的高位補水排氣水箱，其壁面與底面垂直，是一個任一橫截面的形狀和面積都相等的立體。這樣更方便形狀與橫截面相似、面積略小於橫截面的活塞狀浮蓋能在豎直方向上做活塞運動，同時，所述的高位補水排氣水箱的頂部蓋有面積略大於高位補水排氣水箱頂面的高位補水排氣水箱防塵蓋，所述的高位補水排氣水箱頂面防塵蓋可以通過高位補水排氣水箱箱體獲得有效的支撐。所述的高位補水排氣水箱的側壁頂部設有用於排氣的通孔，這樣，既能大大減少水樣在循環過程中與空氣接觸的機會，又能將獨立循環管網子系統中的循環水中的空氣順利排出。優選的，可以選擇高位補水排氣水箱的箱體為圓柱形。為了能更好地排除獨立循環管網子系統循環管路中的水中的氣泡，所述的高位補水排氣水箱的出水口位於高位補水排氣水箱的底部，即位於接近高位補水排氣水箱底面的高位補水排氣水箱側壁或者高位補水排氣水箱底面，所述的高位補水排氣水箱的進水口高於高位補水排氣水箱的出水口且低於高位補水排氣水箱箱高二分之一的位置。這樣，高位補水排氣水箱的進水口就高於高位補水排氣水箱的出水口，獨立循環管網子系統的管道中的水流過的時候就有一定的落差，這樣氣泡由於密度小，就會上升，易排出。所述的迴路在靠近高位補水排氣水箱的進水口和靠近高位補水排氣水箱的出水口的位置分別設有第二閥門和第三閥門；所述的迴路連有與第二閥門、高位補水排氣水箱和第三閥門串聯組成的支路並聯的帶第四閥門的第一管道支路；基於上述的設計，本發明通過各閥門之間的開閉就能實現準封閉循環與封閉循環之間切換，當關閉第二閥門和第三閥門，開啟第四閥門，就可以實現完全的封閉循環，並且，第四閥門為過程調節閥，可在主循環泵頻率不變的情況下，通過開度調節控制封閉循環迴路中的「滿管流」壓力，可以模擬實際管網運輸的水質運輸的不同水壓。所述的獨立循環管網子系統為多個且多個獨立循環管網子系統的管道相同或不同；所述的獨立循環管網子系統的管道為球墨鑄鐵管、聚乙烯管(PE管)、銅管或者不鏽鋼管。獨立循環管網子系統的管道就是循環管網中的水流動的載體，也是運輸環境，由於不同的材質的管道對水的二次汙染的程度不一樣，具體發生的化學、物理和生物變化也會不同， 因此，本發明選取了在實際管道中常用的球墨鑄鐵管、PE管、銅管、不鏽鋼管等作為獨立循環管網子系統的管道，以研究不同的管道對運輸管網內水質變化的影響，提出相關的應對技術措施，並驗證相關應對技術措施的有效性。本發明中的供水子系統可以與多個獨立循環管網子系統相連，多個獨立循環管網子系統均可獨立進行試驗，如一個供水子系統與四個獨立循環管網子系統相連，即一個供水子系統連接獨立循環管網子系統的管道為球墨鑄鐵管的獨立循環管網子系統、獨立循環管網子系統的管道為PE管的獨立循環管網子系統、獨立循環管網子系統的管道為不鏽鋼管的獨立循環管網子系統和獨立循環管網子系統的管道為球墨鑄鐵管的獨立循環管網子系統。為了監測獨立循環管網子系統的管道中的水質情況，獨立循環管網子系統的管道接有用於監測迴路中水的水質的水質監測系統，獨立循環管網子系統的管道上取樣用於水質監測的水量來說，是非常少的，幾乎可以忽略不計，一般通過高位排氣補水水箱中的蓄水就可以完成補水(特殊試驗情況下，獨立循環管網子系統的管道內的補水需求量超過高位排氣補水箱中的可提供的最大補水量，還能通過補水系統及時地補水)。在補水需求量比較大的情況下，可以通過補水系統及時地補水。因此，一般情況下，水樣經過水質監測系統可以直接排入地溝。但是為了儘量減少採集水樣的水量對獨立循環管網子系統的管道中水的影響；所述的水質監測系統由水質監測循環管道支路和水質監測不可循環管道支路組成； 所述的水質監測循環管道支路包括並聯的電導率儀、PH儀和溶解氧測試儀，所述的水質監測循環管道支路的兩端分別與獨立循環管網子系統的管道連通。由於電導率監測、水體PH 監測和溶解氧監測都不涉及化學變化，就能監測，因此，上述經過監測的水樣的水質和獨立循環管網子系統的管道中水的水質基本相同，監測後的水樣可以再次通過水質監測循環迴路回到獨立循環管網子系統的管道中，基於上述理由，電導率監測、水體PH監測和溶解氧監測都可以採用實時監測，即隨時都可以進行監測，不會引起監測獨立循環管網子系統的管道中的水流的失穩，其中，所述的電導率監測、水體PH監測和溶解氧監測都可以採用市售的儀器設備。所述的水質監測不可循環管道支路包括並聯的餘氯檢測儀、濁度檢測儀和顆粒含量檢測儀，所述的水質監測不可循環管道支路的一端與獨立循環管網子系統的管道連通， 另一端接入地溝。由於餘氯監測、濁度監測和顆粒含量監測需添加藥劑，改變了循環管道內試驗水水質，或引水出來檢測後失壓無法再通過壓力差回到獨立循環管網子系統的管道內，因此，只能排入地溝中，其中餘氯監測、濁度監測和顆粒含量監測都可以採用市售儀器進行監測，為了減少水樣的損失，這三項指標的測試採取間歇定時監測的方式。可人為進行開啟、關閉操作，也可以根據設定的初始時間、間隔時間自動開啟，達到測試穩定所需時間並傳輸和顯示讀數信號後，自動關閉。為了模擬實際給水管網的二次消毒(如氯胺、二氧化氯、臭氧、次氯酸鈉等)、外源汙染物入侵、水質突變等多種工況，研究其水質變化規律，所述的獨立循環管網子系統的管道上連有藥劑加注系統，所述的藥劑加注系統包括串聯的藥劑加注罐和藥劑加注泵。通過藥劑加注系統可以選擇性地加入藥劑，其中，藥劑加注泵選用精密計量加注泵，精密計量加注泵可以根據設定的運行時間投加設定的藥劑的量，從而實現精確控制藥劑的加入時間和劑量。所述的藥劑加注系統的個數可以根據需要增加或減少。在循環管網水質綜合模擬試驗系統進行模擬試驗時，有時需要根據水質監測系統監測到的水質結果，選擇藥劑進行加入，優選地藥劑加注系統的個數為1個 5個。還可以根據水質監測系統監測加入藥劑後的水質結果，如消毒後的消毒副產物的監測。另外，示蹤劑也可以通過藥劑加注系統加入， 可以通過藥劑加注泵準確地控制加注的示蹤劑的量，保證每次試驗條件的基礎一致，在試驗前通過投加示蹤劑，來保證管路衝洗乾淨，從而不會對試驗的結果造成幹擾，保證試驗結果的準確。所述的獨立循環管網子系統的管道上設有用於人工取水採樣的出口，並在出口位置設有第五閥門，當不取水樣時，關閉第五閥門，當需要取水樣時，開啟第五閥門，可以直接從該出口取水樣，採用化學反應的方法或者儀器分析法分析採樣水的水質指標。本發明具有如下優點本發明供水水箱能為循環管網水質綜合模擬試驗系統提供各種水質的自來水，以滿足循環管網水質綜合模擬試驗系統對不同水質水源的研究要求，以應對當前不同地方的不同水質的出廠自來水在管網運輸中出現的不同水質變化和不同的二次汙染問題，能更高仿真模擬實際的出廠水在管網運輸中出現的問題。本發明高位補水排氣水箱能很好的排淨循環管網中的氣泡，並能用高位補水排氣水箱中實際參與循環的蓄水迅速補充試驗中流失掉的水，當高位補水排氣水箱中的液位較低時，可以通過補水系統進行補水，使得循環管網水質綜合模擬試驗更近似於實際和循環管網中的水流動穩定，從而確保了試驗結果的準確性。本發明用於實現封閉循環的第一管道支路通過相關閥門之間的開閉就能實現準封閉循環與封閉循環之間切換，保證水質各項指標監測的要求前提下，使得本發明實現封閉循環迴路模擬實際供水管線。並且，通過封閉循環支路上的過程調節閥開度調節，可在主泵頻率不變的情況下，控制封閉循環迴路中的「滿管流」壓力。使得通過本發明循環管網水質綜合模擬試驗系統進行試驗模擬的各項結果最大限度地接近實際的有壓幹管給水運輸， 有助於管網水質汙染的原因機理、影響因素、控制方法的相關研究，有助於更好的認識飲用水在管網內的物理變化、生物變化和化學變化。本發明水質監測系統和電磁流量計能很好地實現餘氯監測、濁度監測、顆粒含量監測、餘氯監測、濁度監測、顆粒含量監測和流量監測，確保了循環管網中水質的參數和運行狀態的監測，從而對循環管網中的工況有全面的掌握，從而更有利於研究清楚其中的物理變化、化學變化和生物變化，如餘氯衰減規律和動力學分析、管網內消毒副產物的形成遷移的生化機理、給水管網的生物穩定性和化學穩定性、管垢電化學機理及管內微生物生境等基礎性研究提供高仿真的模擬硬體平臺，為給水管網二次汙染的防控提供基礎理論數據。本發明藥劑加注系統可以精確地控制加注時間和加注劑量，可以進行循環管網水質綜合模擬試驗系統二次加氯、三次加氯、外源汙染物入侵、水質突變等工況的模擬，用於研究藥劑加注時間、加注劑量以及外源汙染物侵入後的水質變化規律和潛在危害等，以及驗證應對措施的有效性，提升了循環管網水質綜合模擬試驗系統的適應性，對改造現有飲用水處理流程、開發新技術和新工藝、建立管網內飲用水水質汙染控制的方法和策略，提供安全優質飲用水具有重要的理論指導意義和工程應用價值。本發明循環管網水質綜合模擬試驗系統為開展管網水質汙染的原因機理、影響因素、控制方法的相關研究提供了一個良好的平臺，對改造現有處理流程、建立管網水質汙染控制的方法和策略。本發明循環管網水質綜合模擬試驗系統為給水水質穩定劑、防腐劑、消毒緩釋劑等新型藥劑，給水處理新型消毒技術和手段，新型管材應用等新技術、新方法、新手段，提供安全性和有效性評價檢測的硬體場所，為新技術、新方法對管網水質的影響提供鑑定與評估的標準方法和手段，對於給水水質問題的研究具有十分重要的意義及提供安全優質飲用水具有重要的理論指導意義和工程應用價值。


圖1為本發明循環管網水質綜合模擬試驗系統的結構示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發明循環管網水質綜合模擬試驗系統，由1個供水子系統和4個通過供水子系統的管道2(以下簡稱管道2)與供水子系統連接的獨立循環管網子系統。供水子系統包括供水水箱1、管道2、混合循環泵3、閥門4、閥門5、閥門19和管道 6，供水水箱1為圓柱形，體積為6000L，供水水箱1包括供水水箱1的出水口 101、供水水箱1的進水口 102、供水水箱1的藥劑注入口 103、供水水箱1的出口 104、供水水箱1的進口 105和供水水箱防塵蓋106，供水水箱1的出水口 101位於靠近供水水箱1底面的供水水箱 1的側壁，供水水箱1的出水口 101通過串接有閥門19的管道2與獨立循環管網子系統連接；供水水箱ι的進水口 102和供水水箱1的藥劑注入口 103位於供水水箱1的頂面，供水水箱1的出口 104位於靠近供水水箱1底面的供水水箱1的側壁，供水水箱1的進口 105 位於靠近供水水箱1頂面的供水水箱1的側壁，供水水箱防塵蓋106蓋在供水水箱1的箱體上，供水水箱1的頂部側壁設有排氣小通孔(未標註)。供水水箱1的出口 104通過串接有閥門5的管道6與混合循環泵3的進口連通，混合循環泵3的出口通過串接有閥門4的管道6與供水水箱的進口 105相連，管道2的內徑為150mm，管道6的內徑為80mm。四個獨立循環管網子系統為第一獨立循環管網子系統、第二獨立循環管網子系統、第三獨立循環管網子系統和第四獨立循環管網子系統。第一獨立循環管網子系統包括主循環泵7、電磁流量計8、高位補水排氣水箱9、獨立循環管網子系統的管道10、補水系統11、放空支路12、水質監測系統13、第一藥劑加注系統15、第二藥劑加注系統16、閥門17、第二閥門18、閥門19、第三閥門20和第四閥門21。 主循環泵7、電磁流量計8和高位補水排氣水箱9通過獨立循環管網子系統的管道10依次串聯形成迴路，主循環泵7與電磁流量計8之間在靠近電磁流量計8處設有閥門17。供水水箱1和高位補水排氣水箱9的頂面位於循環管網水質綜合模擬試驗系統的水平最高水平面；主循環泵7的放置位置位於循環管網水質綜合模擬試驗系統的最低位置。獨立循環管網子系統的管道10的總長度為78m，獨立循環管網子系統的管道10的內徑為150mm。高位補水排氣水箱9為圓柱形，體積為400L，高度與供水水箱1高度一致，高位補水排氣水箱9內置有圓形的活塞狀浮蓋903，面積略小於高位補水排氣水箱9，使得活塞狀浮蓋903水平放入的時候能與高位補水排氣水箱9的內壁留有一定的空隙，活塞狀浮蓋 903的密度小於水的密度，當高位補水排氣水箱9充滿水的時候，活塞狀浮蓋903在水的浮力的作用下沿著高位補水排氣水箱9水位的升高或降低上下做活塞運動。高位補水排氣水箱9的頂部蓋有防塵蓋904，防塵蓋904的面積略大於高位補水排氣水箱9的頂面，通過高位補水排氣水箱9箱體獲得有效支撐，在靠近高位補水排氣水箱9頂面的高位補水排氣水箱9的側壁設有用於排氣的小通孔(未標出)，能順利地將循環管路中的水中的空氣排出。 這樣，獨立循環管網子系統的管道10中的空氣可通過高位補水排氣水箱9的活塞狀浮蓋與管壁間空隙排氣出去，同時也通過活塞狀浮蓋實現了對該高位補水排氣水箱9的準封閉隔離。高位補水排氣水箱9設有高位補水排氣水箱的進水口 901和高位補水排氣水箱的出水口 902，高位補水排氣水箱的進水口 901為高位補水排氣水箱箱高三分之一的位置，高位補水排氣水箱的出水口 902位於靠近高位補水排氣水箱底面的高位補水排氣水箱側壁且低於高位補水排氣水箱的進水口 901。靠近高位補水排氣水箱9的進水口 901的獨立循環管網子系統的管道10上設有第二閥門18，靠近高位補水排氣水箱9的出水口 902的獨立循環管網子系統的管道10上設有第三閥門20，第二閥門18為電動閥，採用工業過程控制閥，可以調整開度，在主循環泵7頻率不變的情況下，通過調整閥門18的開度也可以控制管道中的水的流量。第四閥門21通過獨立循環管網子系統的管道10接入獨立循環管網子系統， 串接有第四閥門21的第一管道支路通過獨立循環管網子系統的管道10與由第二閥門18、 高位補水排氣水箱9和第三閥門20串聯形成的支路並聯。第四閥門21為電動閥，即採用工業過程控制閥，可在主循環泵7頻率不變的情況下，通過調整第四閥門21的開度控制管道中的水的流量，從而實現管道中的壓力控制，對於壓力監測，可以採用獨立循環管網子系統的管道10上第四閥門21附近處裝有壓力表來監測獨立循環管網子系統的管道10中水壓的大小，通過第四閥門21的開度調節控制封閉循環迴路中的「滿管流」壓力，從而使本發明循環管網水質綜合模擬試驗系統可以模擬實際有壓幹管管網運輸的水質。獨立循環管網子系統的管道10設有獨立循環管網子系統的管道10的第一出口 1001、獨立循環管網子系統的管道10的第二出口 1002、獨立循環管網子系統的管道10的第三進口 1003(迴路的進水口)、獨立循環管網子系統的管道10的第四出口 1004、獨立循環管網子系統的管道10的第一進口 1005、獨立循環管網子系統的管道10的第二進口 1006 和獨立循環管網子系統的管道10的第三進口 1007。水質監測系統13由水質監測循環管道支路1301和水質監測不可循環管道支路 1302組成，水質監測循環管道支路1301由在線電導率儀(未標出)、pH儀(未標出)和溶解氧測試儀(未標出)三者並聯連通，水質監測循環管道支路1301通過內徑為20mm的管道接入獨立循環管網子系統的管道的第一出口 1001和獨立循環管網子系統的管道的第一進口 1005。水質監測不可循環管道支路1302由余氯檢測儀(未標出)、濁度檢測儀(未標出)和顆粒含量檢測儀(未標出)三者並聯組成，水質監測不可循環迴路1302的一端通過內徑為20mm的管道接入獨立循環管網子系統的管道的第一出口 1001，另一端接入地溝。獨立循環管網子系統的管道10的第二出口 1002接有放空閥1201和系統放空管 1202串聯組成的放空支路12，獨立循環管網子系統的管道的第三進口 1003通過管道2與供水水箱1的出水口 101連通，獨立循環管網子系統的管道10的第四出口 1004接有帶第五閥門(未標註)的取水口，在採集水樣時打開閥門，採集水樣後，進行所需的測試，在其他時間關閉閥門，獨立循環管網子系統的管道10的第二進口 1006接有第一藥劑加注罐1501 和第一精密計量加注泵1502串聯組成的第一藥劑加注系統15，獨立循環管網子系統的管道10的第三進口 1007接有第二藥劑加注罐1601和第二精密計量加注泵1602串聯組成的第二藥劑加注系統16。供水子系統與第一獨立循環管網子系統之間設有第一閥門14 ；第一閥門14與由補水系統的管道1101、實驗水加注罐1102、實驗水加注泵1103和電磁流量計1104串聯組成的補水系統11並聯，電磁流量計1104的出口通過補水系統的管道1101與獨立循環管網子系統的管道10連通，實驗水加注罐1102的入口通過補水系統的管道1101與管道2連通； 補水系統的管道1101的內徑為50mm，實驗水加注罐1102的體積為100L，內有一個浮球進水閥。供水子系統通過上述的連接方式與第二獨立循環管網子系統、第三獨立循環管網子系統和第四獨立循環管網子系統相連，第二獨立循環管網子系統、第三獨立循環管網子系統和第四獨立循環管網子系統分別通過管道2上B端、C端、D端與供水子系統連通。每個獨立循環管網子系統管路與設備都一樣，不同之處，就在於獨立循環管網子系統的管道不一樣，第一獨立循環管網子系統的獨立循環管網子系統的管道為球墨鑄鐵管，第二獨立循環管網子系統的獨立循環管網子系統的管道為PE管，第三獨立循環管網子系統的獨立循環管網子系統的管道為不鏽鋼管，第四獨立循環管網子系統的獨立循環管網子系統的管道為球墨鑄鐵管。球墨鑄鐵管較為常用，在循環管網水質綜合模擬試驗對於水在球墨鑄鐵管中模擬的水質在運輸過程中發生的物理、化學和生物的變化，意義十分重大， 由於有些循環管網水質綜合模擬試驗需要的時間比較長，而利用球墨鑄鐵管做循環管網水質綜合模擬試驗也比較多，為了滿足試驗的需要，系統中第一獨立循環管網子系統的獨立循環管網子系統的管道和第四獨立循環管網子系統的獨立循環管網子系統的管道都採用了球墨鑄鐵管，以滿足試驗需求。本發明循環管網水質綜合模擬試驗系統具體工作流程如下首先，通過供水水箱 1的進水口 102往供水水箱1中加入2000升以上待進入管網循環試驗並需研究其水質變化規律的原水。該步可用2種方式，第一種是直接用儲水車運來待研究的自來水廠的出廠水，通過供水水箱1的進水口 102直接灌入供水水箱1。第二種是通過供水水箱1的進水口 102往供水水箱1加入2000升以上管網末端的自來水，再根據試驗要研究的主要水質指標，通過供水水箱1的藥劑注入口 103將配好濃度的藥劑(如加入次氯酸鈉模擬自來水出廠水進入管網前的加氯消毒，研究含有不同濃度氯離子的自來水在管網中長時間長距離運行流動後的水質變化物理規律)，灌入供水水箱1以實現人工調配試驗原水。其次，根據需要，可打開閥門4和閥門5，開動混合循環泵3，使得供水水箱1中的水從供水水箱1的出口 104出來，再回到供水水箱1的進口 105，使得供水水箱1中的水和注入的藥液混合均勻。打開閥門19、第一閥門14、閥門17、第二閥門18和第三閥門20，使得供水水箱1 中的水在重力的作用下灌入管道10(即獨立循環管網子系統的管道10)，待高位排氣補水水箱9和供水水箱1液面恆定不變為同一水平面時，即可認定已基本充滿試驗水(當然還混有很多無法排出的空氣泡)管道10中充滿水，然後關閉第一閥門14，供水水箱1中的原水會通過與其連通的管道2在重力勢能下運輸到實驗水加注罐1102，直到罐內水位上升驅動其內的浮球閥關閉該罐進水口，而加注罐1102中的蓄水在補水系統11的實驗水加注泵 1103的作用下會注入到獨立循環管網子系統的管道10中，電磁流量計1104可以顯示實驗水的補水流量，並累積補水流量。在補水系統11的作用下，對循環管網子系統進行補水，使得高位排氣補水水箱中的試驗原水液面達到高位排氣補水水箱箱高3/4處的較高液位(儘量讓該水箱蓄積較多的試驗原水，一般會高於供水水箱液面)，之後補水系統11關閉，根據補水的需要可再次開啟。開始啟動主循環泵7，主循環泵7為變頻循環泵，循環迴路流量通過調節主循環泵 7的頻率實現，管道10中的水在主循環泵7的作用下，進行循環，管道10中的氣泡會被循環水帶到高位補水排氣水箱9中排掉由於高位補水排氣水箱9的進水口 901與高位補水排氣水箱9的出水口 902之間存在著一定的高度差，水從高位補水排氣水箱9的進水口 901 進來，再從高位補水排氣水箱9的出水口 902被吸走，在高位補水排氣水箱9中的運行軌跡自上而下，而被循環水帶入的氣泡從高位補水排氣水箱9的進水口 901進來後，雖然一開始會在慣性作用下會隨循環水運行軌跡自上而下向高位補水排氣水箱9的出水口 902方向移動，但由於其密度很小，受到很大的上升浮力，會上升，在高位補水排氣水箱9的進水口 901 與出水口 902之間足夠大的高度差距離緩衝下，不會再被出水口 902吸入管道，而是會在上浮後通過活塞狀浮蓋903與高位補水排氣水箱9的內壁存在著一定的空隙排出，並最終通過高位補水排氣水箱9的箱體設有的用於排氣的通孔排出。當高位補水排氣水箱9中的水位由於排氣水位較低時，可以採用補水系統11對其進行補水，使得高位補水排氣水箱9維持一定高的液位，防止空氣再進入到獨立循環管網子系統中，電磁流量計8會反饋主循環泵7變頻控制的管道10的管內循環流量，這樣構成的獨立循環管網子系統可使得管道10 之內的試驗原水在相對一個比較封閉的環境進行循環，即為準封閉循環，還可以通過打開第四閥門21，關閉第二閥門18和第三閥門20，使得循環水從準封閉切換到封閉循環，切換到封閉循環後，可以直接利用補水系統11進行補水，從而利用循環管網水質綜合模擬試驗系統的模擬實驗模擬出的各種情況和所得到的結果更接近實際。水質監測系統13由水質監測循環管道支路1301和水質監測不可循環管道支路 1302組成，水質監測循環管道支路1301由在線電導率儀(未標出)、PH儀(未標出)和溶解氧測試儀(未標出)三者並聯連通，水質監測循環管道支路1301通過管內直徑為20mm 的管道接入水質監測獨立循環管網子系統的管道的第一出口 1001和獨立循環管網子系統的管道的第一進口 1005，可以隨時進行監測，由於在電導率監測、水體pH監測和溶解氧監測不需要加入試劑，不涉及化學變化，監測的水質基本可以看作不發生變化，也不會失壓， 因此，上述的水樣經過監測後還可以通過水質監測循環管道支路1301回到管道10中，而且監測可以在管路運行過程中隨時進行。水質監測不可循環管道支路1302由在線餘氯檢測儀(未標出)、濁度檢測儀(未標出)和顆粒含量檢測儀(未標出)三者並聯組成，水質監測不可循環迴路1302的一端通過管內直徑為20mm的管道接入獨立循環管網子系統的管道10的第一出口 1001，另一端接入地溝。由於該設計的迴路是涉及添加藥劑，改變了循環管道內試驗水水質，或引水出來檢測後失壓，無法再通過壓力差回到循環主管內，為了不影響、不汙染管道10中的水質，將用於餘氯監測、濁度監測和顆粒含量監測的水樣經監測後的失壓的水，直接排入地溝，這樣，管道10中的水會隨之減少，雖然用於在線監測採樣排出的水樣的水量很小，但一直連續開啟採樣，累積損耗也會很大，從而影響試驗精度，因此，為了減少水樣的損失，因此，為了減少水樣的損失，餘氯監測、濁度監測和顆粒含量監測的間隔時間可以根據需要設定，並且一般用於餘氯、濁度和顆粒含量在線監測的水樣的採集在滿足試驗數據要求的基礎上不宜過於頻繁。同時，高位補水排氣水箱9中的參與循環的蓄水會隨時進行補充(特殊試驗情況下，管道10中的補水需求量超過高位排氣補水箱9中的可提供的最大補水量，還能通過補水系統11迅速及時地補水)，從而使管道10中的循環水運行保持穩定。除了用水質監測系統13監測獨立循環管網子系統的管道10中的電導率、水體pH、 溶解氧、餘氯、濁度和顆粒含量外，還可以通過管道10的帶有第五閥門的第四出口 1004，通過第五閥門的打開和閉合，進行人工採樣取水，然後再將採集到的水樣轉移到分析儀器中進行分析儀器中進行離線檢測。對於水質監測系統13監測到的獨立循環管網子系統的管道10中的電導率、水體 PH、溶解氧、餘氯、濁度和顆粒含量的變化外，本發明循環管網水質綜合模擬試驗系統還可以通過第一藥劑加注系統15與第二藥劑加注系統16直接向管道10中的試驗原水中投加藥劑，可模擬實際給水管網途中的二次加消毒劑(如二次加氯)後的水質變化過程，藥劑投放進第一藥劑加注罐1501和第二藥劑投放進藥劑加注罐1601，然後在第一精密計量加注泵1502和第二精密計量加注泵1602(根據需要，設定加入的間隔時間和每次的加入量)的作用下，投放到獨立循環管網子系統的管道10中。目前，國內自來水廠都只是一次性在出廠水中加入足量的氯氣消毒劑，以保持出廠時水質達標的自來水經過管網長距離輸送到達用戶水龍頭端時仍能保持較好的水質。但出廠水到管網用戶水龍頭末端的輸送管道有長有短，為了使最長管道存留時間的自來水能保持水質，可能就需要在出廠時投加較多消毒劑，那就會帶來很多較短管網連接的用戶自來水消毒副產物超標的危害，若是投加少了，較長管網連接的用戶自來水又有可能會有細菌、有機物超標水質無法保持達標的危害，這是個兩難的問題。因此，國外很多先進城市通過管網優化分析，在較長管網連接的中途合適節點增設了二次加氯(也可投加其他消毒劑)的設備，以降低出廠水一次的加氯量，可以大幅降低自來水中消毒副產物的殘留危害。 而本發明的第一藥劑加注系統15與第二藥劑加注系統16即可模擬管網的二次、三次加消毒劑的試驗。再通過水質監測系統13和通過獨立循環管網子系統的管道的第四出口 1004 接有的帶第五閥門的取水口對獨立循環管網子系統的管道10中的水質進行監測，從而可以量化的分析其消毒效果、消毒後水質的狀況和消毒產物及消毒副產物的衰減變化規律。
權利要求
1.一種循環管網水質綜合模擬試驗系統，其特徵在於，包括供水子系統以及與供水子系統連接的獨立循環管網子系統；所述的供水子系統包括帶進水口、出水口和藥劑注入口的供水水箱； 所述的獨立循環管網子系統為包括通過管道串聯的主循環泵、電磁流量計和高位補水排氣水箱的迴路；所述的迴路設有進水口，所述的迴路的進水口與供水水箱的出水口通過帶第一閥門的管道連通；所述的迴路在靠近高位補水排氣水箱的進水口和靠近高位補水排氣水箱的出水口的位置分別設有第二閥門和第三閥門；所述的迴路連有與由第二閥門、高位補水排氣水箱和第三閥門串聯組成的支路並聯的帶第四閥門的第一管道支路、用於為迴路補充水的補水系統、用於排出迴路中水的放空支路和用於監測迴路中水的水質的水質監測系統；所述的補水系統包括串聯的實驗水加注罐和實驗水加注泵，所述的實驗水加注泵的出口與迴路連通，所述的實驗水加注罐的入口與供水水箱的出水口連通；所述的供水水箱和高位補水排氣水箱的頂面接近於同一水平面，所述的水平面位於所述的循環管網水質綜合模擬試驗系統的水平最高位置，所述的主循環泵的放置位置低於供水水箱和高位補水排氣水箱的放置位置；所述的高位補水排氣水箱包括箱體和位於箱體內的活塞狀浮蓋，所述的活塞狀浮蓋與箱體內壁之間留有空隙；所述的活塞狀浮蓋的密度小於水的密度。
2.根據權利要求1所述的循環管網水質綜合模擬試驗系統，其特徵在於，所述的供水水箱的出水口位於供水水箱的底部；所述的供水水箱連有帶混合循環泵的第二管道支路，所述的第二管道支路的兩端分別與供水水箱連通；所述的供水水箱的頂部蓋有面積略大於供水水箱頂面的供水水箱防塵蓋； 所述的供水水箱的側壁頂部設有用於排氣的通孔。
3.根據權利要求2所述的循環管網水質綜合模擬試驗系統，其特徵在於，所述的第二管道支路的兩端之間有高度差。
4.根據權利要求1所述的循環管網水質綜合模擬試驗系統，其特徵在於，所述的高位補水排氣水箱的壁面與底面垂直；所述的高位補水排氣水箱的頂部蓋有面積略大於高位補水排氣水箱頂面的高位補水排氣水箱防塵蓋；所述的高位補水排氣水箱的側壁頂部設有用於排氣的通孔。
5.根據權利要求1或4所述的循環管網水質綜合模擬試驗系統，其特徵在於，所述的高位補水排氣水箱的箱體為圓柱形。
6.根據權利要求1所述的循環管網水質綜合模擬試驗系統，其特徵在於，所述的高位補水排氣水箱的出水口位於高位補水排氣水箱的底部，所述的高位補水排氣水箱的進水口高於高位補水排氣水箱的出水口且低於高位補水排氣水箱箱高二分之一的位置。
7.根據權利要求1所述的循環管網水質綜合模擬試驗系統，其特徵在於，所述的獨立循環管網子系統為多個且多個獨立循環管網子系統的管道相同或不同；所述的獨立循環管網子系統的管道為球墨鑄鐵管、聚乙烯管、銅管或者不鏽鋼管。
8.根據權利要求1所述的循環管網水質綜合模擬試驗系統，其特徵在於，所述的水質監測系統由水質監測循環管道支路和水質監測不可循環管道支路組成；所述的水質監測循環管道支路包括並聯的電導率儀、PH儀和溶解氧測試儀，所述的水質監測循環管道支路的兩端分別與獨立循環管網子系統的管道連通；所述的水質監測不可循環管道支路包括並聯的餘氯檢測儀、濁度檢測儀和顆粒含量檢測儀，所述的水質監測不可循環管道支路的一端與獨立循環管網子系統的管道連通，另一端接入地溝。
9.根據權利要求1所述的循環管網水質綜合模擬試驗系統，其特徵在於，所述的獨立循環管網子系統的管道上連有藥劑加注系統，所述的藥劑加注系統包括串聯的藥劑加注罐和藥劑加注泵。
10.根據權利要求1所述的循環管網水質綜合模擬試驗系統，其特徵在於，所述的主循環泵的底面位於循環管網水質綜合模擬試驗系統的最低水平面；所述的獨立循環管網子系統的管道上設有帶第五閥門的用於人工取水採樣的出口。
全文摘要
本發明公開了一種循環管網水質綜合模擬試驗系統，包括供水子系統和獨立循環管網子系統，供水子系統包括帶進水口、出水口和藥劑注入口的供水水箱；獨立循環管網子系統為包括通過管道串聯的主循環泵、電磁流量計和高位補水排氣水箱的迴路；並且，迴路連有可與準封閉循環切換的用於實現封閉循環的第一管道支路、用於為迴路補充水的補水系統、用於排出迴路中水的放空支路和水質監測系統。該獨立循環管網子系統的管道上還連有藥劑加注系統。該循環管網水質綜合模擬試驗系統利用各部件相互配合，具有仿真度高、更接近實際市政給水管網系統的優點。
文檔編號G01N33/18GK102288738SQ20111013139
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月19日 優先權日2011年5月19日
發明者周永潮, 張土喬, 張燕, 李聰, 程偉平 申請人:浙江大學