农村饮水安全工程管网末梢供水管道冬季防冻措施试验研究

成果名称：农村饮水安全工程管网末梢供水管道冬季防冻措施试验研究

成果完成单位：甘肃省水利科学研究院

成果完成人：程玉菲;王军德;陈娜娜;李建玲;任欣琪

所属行业：水利、环境和公共设施管理业

成果登记号：9622024Y0890

成果简介：

（1）课题来源与背景
本项目来源于甘肃省水利科研与技术推广计划项目甘水建管发﹝2020﹞46号
农村饮水安全问题影响着千百万农村居民的身体健康，关乎农村社会的长期稳定，是一项重要的民生问题，也是实施乡村振兴的必备条件。新中国成立以后，水利部、甘肃省对农村饮水安全问题高度重视，相继实施了一系列农村饮水安全工程和农村饮水安全提升工程，饮水安全问题已基本解决。但同城镇饮水安全相比还有一定差距，部分农村地区水资源短缺、水源水质差、饮用水水源地缺乏保护和饮水安全工程不完善等问题依旧存在，特别是甘南、天祝等一些高寒地区农村冬季供水管道冻结情况频繁发生，长期有效供水仍存在问题。针对农村供水工程管网末梢供水管道防冻问题，在梳理前人研究成果、总结劳动人民实践经验的基础上，开展管道防冻防治措施研究具有十分重要的意义。
（2）技术原理及性能指标
从农村供水工程末梢管网冻害问题出发，以调查甘肃省农村饮水工程现状以及末梢供水管道冻害实际状况为依据，采用现场调研、文献资料查阅等方法梳理我省农村饮水工程现状，根据调查实际对冻管产生的原因进行初步分析。通过考虑风速对管壁散热的影响，引进环境批改系数对热工理论计算公式进行改进，运用改进后的公式对不同管径不同情景下的管道自停水至断面结冰率为30%时所需的冻结时间进行计算，运用文献对不同管径的管道实际需要伴热量、保温材料厚度等进行计算，从理论角度对探讨冻结时间与管径、环境温度，实际伴热量，保温材料厚度等关系进行分析，探讨冻管机理。同时对甘肃省进行分区，分别计算冻结时间和实际伴热量，从而针对性的提出冬季管网末梢供水管道防冻措施。在此基础上，提供一种供水管网系统末端取水防冻装置。
（3）技术的创造性与先进性
通过采用改进后的热工计算原理公式对给水管道冻结时间的计算，发现明设管道自停水至管道断面结冰率为30%所需的冻结时间随着管径的增大而增大。当管道内水的温度为8℃，管道外空气温度为-8℃且无风时，可初步判断DN20~DN50的明设不保温管道冻结时间在2~5h之间；采用25mm离心玻璃棉保温的明设管道冻结时间在7~21h之间，采用30mm离心玻璃棉保温的明设管道冻结时间在8~24h之间。与不保温管道相比，保温管道冻结时间是不保温管道的4~5倍左右。而且，保温材料厚度每增加1mm，其冻结时间延长约12~35min。考虑25m/s风速影响，对于管道外气温为-8℃时，明设不保温管道冻结时间减少了16~35min，保温管道冻结时间减少5~18min。风速对明设的保温管道的冻结时间影响较小。而且，温度每降低1℃，保温层厚度每减少1mm，DN20~50管道冻结时间相应减少6min、8min、10min、13min、17min。在管道防冻过程中，相应条件下，对应冻结时间内管道应采取放空措施。
针对甘肃省不同片区，本文计算了两种不同情景下，管道内水的初始温度为4℃、风速为5m/s时各片区的管道冻结时间，情景3条件下保温层厚度每增加1mm冻结时间延长11~17min，情景4条件下保温层厚度每增加1mm冻结时间延长8~10min。可在生活实践中根据环境温度对上述已经计算出的时间进行调整估计，从而对管道进行放空操作，以防管道发生冻害。
（4）技术的成熟程度，适用范围和安全性
本技术提供了一种农村生活饮用水供水管网终端取用水防冻装置，具备防冻效果好、安全可靠的优点，解决了农村人饮工程管网安装在露天庭院的竖管，在冬季因天气寒冷被冻结造成无法正常取水问题，为农村人饮工程设计、施工、管理等提供支撑，有效减少了已建成农村人饮工程管网的维修、养护费用，提高了群众生活质量，产生了十分重要的社会效益。
（5）应用情况及存在的问题
本研究从理论角度对探讨冻结时间与管径、环境温度，实际伴热量，保温材料厚度等关系进行分析，探讨冻管机理。同时对甘肃省进行分区，分别计算冻结时间和实际伴热量，从而针对性的提出冬季管网末梢供水管道防冻措施。在此基础上，提供一种供水管网系统末端取水防冻装置。此外，本研究尚未形成有效的农村供水工程防冻技术模式，未形成农村供水管网与末端防冻协同技术体系，信息化技术的支撑作用尚未引起足够的重视。因此，仍需针对上述问题开展深入、系统的研究，为农村供水高质量发展保驾护航。
（6）历年获奖情况
无