行業小知識:流量和流速

2021-12-28 自來水先生


一、定義

流量(Q):流體在一定時間內通過某一橫斷面的容積或重量稱為流量。用容積表示流量單位是L/s或m3/ h ;用重量表示流量單位是kg/s或t/h。    

流速(V):流體在管道內流動時,在一定時間內所流過的距離為流速,流速一般指流體的平均流速,單位為 m/s。    

    

流量與管道斷面及流速成正比,三者之間關係: 

Q=SV

其中  Q — 流量(m3/ h );     

         S — 截面面積(m2);        

         V — 流體平均速度(m / s)。

或將S拆分後,變成:

Q =(π D2)/ 4 * v *3600 (m3/ h )   

式中  Q — 流量(m3/ h);     

         D — 管道內徑(m);        

         V — 流體平均速度(m / s)。 

給排水設計一般用L/s,也有用m3/s,即秒流量。而輸配水運行、管網調度、漏損控制、表務管理等則常用m3/ h,即瞬時流量。

二、通俗理解流量與流速

    

根據上式,當流速一定時,其流量與管徑的平方成正比,在施工中遇到管徑替代時,應進行計算後方可代用。例如二根DN50的管並不能取代一根DN100管,從公式得知DN100的管道流量是DN50管道流量的4倍,因此必須用4根DN50的管才能代用1根DN100的管,如此類推。

同等道理,同一管徑(截面積相同)的管道,流量越大,其流速越快;或者可以說,要想讓同一管徑的管道的流量增大,那就想辦法加大它的流速。

如果要保持流速不變,要想增大流量,則要增大管徑,這就是常見的管道擴建或擴容,目的就是要降低過高的流速,或增大管道流量。當然既增大管徑,又提升流速,那流量就提升得更快!

流速的提升需要能量,例如水泵加壓可以提升流速,但需要電能。事實上流速不能無限提升,因為達到一定的臨界值後能耗會快速上升,還有過高的流速影響管道的壽命、管道安全等問題,否則就不用做很大口徑的管道,只要管道前面拼命加壓就可以了。所以就會有經濟流速、常用流速(例如0.5~3米/秒的範圍)的概念。

另一個與流速有點關係的就是管道的粗糙度或粗糙係數,粗糙度一般就是指絕對粗糙度,而粗糙係數是指相對粗糙度。通俗來講就是管道內壁粗糙度大的,其阻力就會大,管道內比較光滑的,其阻力相對會小,通過的流量要比管道粗糙的要大。所以有塑料內襯的金屬管道,其內徑比沒有內襯時縮小了,但內襯後又比原來光滑了很多,其過流能力並不一定會下降,而是要測試過才會知道。

三、相關知識點


1、經濟流速


在確定給水管道的管徑流速時-流速既不浪費管材.增加投資又不致使水頭損失過大,這一流速就叫經濟流速。經濟流速是指在設計供水管道的管徑時使供水的總成本(包括鋪築管路的建築費、水泵站的建築費、水塔建築費及水泵抽水的經營費之總和)最低的流速。

管道的流速是任意設定的嗎?不是。從流體力學可知當管內介質流速越大則阻力越大。當流速越小時,雖然流動阻力小了,對於同樣的流量所需要的管徑卻大了,造成設備成本的升高。於是人們考慮到這兩條因素取了一個合理的流速稱為經濟流速,人們根據流量選擇管徑就是依靠經濟流速計算得出的。 

介質為水時的常用經濟流速: 

(1)離心泵吸水管(管徑小於250mm) :1至2m/S

(2)離心泵吸水管(管徑大於250mm):1.5至2.5m/S

(3)水廠或泵站出水(管徑小於250mm):1.5至2m/S

(4)水廠或泵站出水(管徑250~1600mm):2至2.5m/S

(5)水廠或泵站出水(管徑大於1600mm):2至3m/S

(6)輸(給)水管道(管徑100~500mm):0.6至1.4m/S

(7)輸(給)水管道(管徑600~1000mm):1.5至2m/S

(8)輸(給)水管道(管徑1200~2000mm):2至2.5m/S

(9)配水支管:0.6至1.2m/S

(10)低壓管道和排水管: 0.1至1m/S 

對流速選多少的問題主要就是兩個因素:

一為安全,二為經濟。例如把管道口徑加大後,阻力損失下來了,但管道的投資增加了,管道是有壽命的,在壽命期內,如果節約的電費不足以補償管道投資多花的錢,那在安全的前提下倒不如用小口徑管道,反之則該用大口徑管道。

以上道理和修高速公路還是修低等級公路是一樣的,修高速公路可以使車速加快,節約油錢,即運行費用,但高速公路的一次性投資較高,說白了就是運行費用和投資費用之比,修低等級公路的費用就少很多,但是車速慢啊,油耗高哦。

2、水錶的流量指標

始動流量(QS):可以讓水錶開始計量的最小流量(不受精度影響)。

最小流量(Q1):要求水錶的示值符合最大允許誤差的最低流量。

分界流量(Q2):出現在常用流量Q3和最小流量Q1之間、將流量範圍劃分成各有特定最大允許誤差的「高區」和「低區」兩個區的流量。
常用流量(Q3):額定工作條件下的最大流量。在此流量下,水錶應正常工作並符合最大允許誤差要求,(常用流量以前也叫公稱流量)。
過載流量(Q4):要求水錶在短時間內能符合最大允許誤差要求,隨後在額定工作條件下仍能保持計量特性的最大流量。

 

掌握水錶的流量指標,主要用於水錶的選型以及對在用水錶進行計量合理性分析。水錶的選型一般是圍繞用戶的用水需求,用水習慣等結合以上幾個流量指標來考慮。理想目標是讓用戶用水的區間大部分位於Q2到Q3之間,俗稱計量高區,可以接受小部分運行於Q1到Q2之間,俗稱計量低區,要避免運行在Q1甚至QS以下,因為Q1以下誤差很大,而且是負誤差,QS以下基本不計量;如果存在經常大於Q4的情況,則要考慮更換更大口徑的水錶,否則存在過載而損壞水錶的風險。

3、夜間最小流量(NMF)

夜間最小流量(NMF)是評估獨立計量區域(DMA)實際漏損情況的重要指標。取值時間通常是深夜2~4點。根據國內多個城市實驗取得的數據,居民用戶正常的夜間最小流量經驗值為每戶每小時2L~3L之間,具體值與當地經濟發展水平、生活習慣有一定關係。而DMA內的用水大戶、非居民用水要單獨測算出來,這幾部分相加就可以計算出該獨立計量區域合法的夜間最小流量。

如果某獨立計量區域的夜間最小流量反映出來是超過經驗值的,超出的部分一般可認為是該區域漏失水量(即物理漏損),因為夜間用水量基數少,計量漏損的佔比也極少,非法用水也沒有必要搞到深夜才來用,如果非法用水又是24小時連續用水的,則是例外,如果有這種嫌疑,應該通過定點排查來查處。

四、流量、流速在供水行業的常見應用

1、用於各類給水工程設計(特指新建、擴建的管道工程)。

2、用於分析供水系統的主要管網是否運行在既安全又經濟的狀態。

3、用於分析供水管網中制約輸配水能力,影響供水壓力的「瓶頸"位置。

4、SCADA系統的重要監測指標,用於水廠及管網供水調度。

5、SCADA系統的重要監測指標,通過監測其突變,及時發現管網突發的嚴重漏水事件。

6、分區計量區域(指較大的區域)重要監測指標,監測區域水量變化,輔助管網調度、壓力調控以及發現大區域的漏水事件。

7、通過夜間最小流量的核算,快速判斷獨立計量區域(DMA)的漏損情況。

8、用於水錶配表設計以及對在用水錶運行情況進行分析,以便做出正確的配表決策以及水錶更換決策。

9、常用於某個區域,甚至一個用水戶瞬時供水不足問題的分析,通過計算相關的時變化係數,日變化係數,找出問題所在,制定市政供水或二次供水系統的改造方案。

10、檢漏的計量,非法用水或破壞供水管道設施等對水量的核算,其他各種未通計量器具,但要核算水量的情況,都會用到流量這個指標。


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