CN113008292A - 一种模块化的全自动给水管道中试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化的全自动给水管道中试装置，由n个管道编组单元并联而成，其中，n为大于或等于1的自然数；所述管道编组单元包括自动控制模块、循环动力模块、水质调节模块、状态反馈模块和活接管道模块；活接管道模块根据实验需求，使用不同材质的管道，定制或改造形状和排布。本发明装置主体结构为活接管道，无需储水罐，管道排布和水头损失贴近真实管网；采样方便，对管道内部无扰动干扰；具备关键结构、部件持续升级和重复利用的功能。该装置可常年无人值守全自动运行，可减少人工维护成本，为生物膜原位培养和反应、污染物的迁移转化机制研究提供一个稳定的实际环境；便于开展管网环境中，污染物与生物膜及其环境介质的相互作用研究。

Description

一种模块化的全自动给水管道中试装置

技术领域

本发明涉及给水管网模拟装置领域，更具体地，本发明涉及一种在真实的市政给水管网 (如公司、商场、住宅等建筑物内的房屋管道)中研究生物膜、微量污染物、管道材质相互 作用关系的全自动模块化中试装置。

背景技术

饮用水安全是事关人民群众身体健康的重要问题，因而也越来越受到社会各界的广泛关 注。生物膜法是一种常见的水处理工艺，而与此同时，给水管网中的生物膜又是造成生物污 染和饮用水质量恶化的罪魁祸首。过去，对管网生物膜的研究通常采用理想化的条件，例如 使用台式生物膜反应器，或者直接在自来水厂的出厂管道设置旁路。前者不能真实地再现给 水管网的条件，后者需要自来水公司的授权，并且为了避免影响正常供水水质，该旁路只能 就地取材，无法引入研究变量。而许多不同的变量，诸如水力条件、消毒剂的种类和剂量、 总有机碳的浓度、其他微量污染物等非生物因素，均可能会影响管道表面生物膜的形成和持 续生长。其中，每日的水力条件对于决定生物膜的积累和脱落尤为重要。为了更好地理解管 网环境中，污染物与生物膜及其环境介质的相互作用，研究者开始开发人工模拟管网的装置。 按照进水是否回用，可分为非循环式和循环式。非循环式模拟管网即在某段自来水管网末梢 设置延伸段，并将出水直接排入下水道的一段管路；循环式模拟管网即管道形成闭环，水体 通过循环泵***在管道内循环流动的装置，在实验室中后者更为常见。

谢菲尔德大学(The University of Sheffield)的Peter Deines等人开发了一个由高密度聚乙 烯(High-Density Polyethylene,HDPE)管道线圈组成的中试装置。该装置通过密闭蓄水罐供 应循环水，并在运行过程中，不断从市政自来水管网得到补充和更新。该装置设计了一种特 制的试片，可以安装在保持相同曲率的管道内部，并使用垫圈和管箍进行固定。采样时，首 先关闭上游阀门，消除泵***的增压效应，然后关闭下游阀门，隔离包含试片的管段，随后 可取下试片。该装置极大减小了试片对管道***内部的扰动，但管道呈现椭圆状，与真实末 梢管网的连接排布形式、水头损失均有差异，不可模拟在真实弯管处的回水流态和沉积物状 况。并且制作椭圆状管道线圈只适合使用韧性较好的管材，而诸如铸铁、不锈钢等金属管道 的加工则较为复杂，因此在针对不同管材的研究中具有局限性。该装置的水体循环和更新都 需要经过一个额外的压力储水罐，储水罐中液体流动性远低于管道***，其水力停留时间可 能大于设计值，造成实验结果的***误差；而频繁清洗储水罐则增加维护成本，并可能造成 二次污染。该装置一旦加工成型，反应器的规模就已确定，不具备局部升级改造的延展性。

卢布林技术大学(Lublin University of Technology)的Agnieszka

等人开发了一种模 拟装置，是由三种材质的管道(PVC、PEX和HDPE)分别组成的独立封闭式***。这些装 置配备了带变速变频控制器的循环泵，并由市政管网提供自来水。Agnieszka

等人为了 减轻附加(即密封)材料的影响，避免在管道中心放置试片干扰流动条件，采用的方法是在管 路中安装一小段可拆卸管道，而不是在管道上安装可拆卸的生物膜试片。该装置与市政管网 连接，无需额外储水罐，但每多一种材质的独立管道***，就需要配备一套相应的循环*** (包括循环泵、流量计和其他在线水质监测设备)。并且其每一个独立***中，有且仅有一处 可用于生物膜采样的管段，不具备同一环境下平行试验的条件。

总体而言，类似的中试装置，其在原理上与上述装置大同小异，关键之处在于：每一套 装置的结构根据其不同的研究目的，都需要经过适应性设计以满足实验的要求。例如，当探 究同一营养条件、不同水力条件对生物膜形成的影响时，就需要在管道***中增加多个并联 管路，并且分别控制流量；而当探究同一营养和水力条件，不同管龄(或不同老化、腐蚀程 度)管道对生物膜形成的影响时，就需要在管道***中设置三处以上平行的串联管道。

传统的一次成型的装置往往只能满足特定的研究需求，实验过程中不可灵活更改实验方 案，实验结束后也容易遭到闲置或弃用，造成空间和物料的浪费。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种模块化的全自动给水管道中试装置， 解决现有技术中一次成型的装置往往只能满足特定的研究需求，实验过程中不可灵活更改实 验方案，实验结束后也容易遭到闲置或弃用，造成空间和物料的浪费的问题。

本发明的技术方案为：

一种模块化的全自动给水管道中试装置，由n个管道编组单元并联而成，其中，n为大 于或等于1的自然数；所述管道编组单元包括自动控制模块、循环动力模块、水质调节模块、 状态反馈模块和活接管道模块；所述自动控制模块通过可编程逻辑控制器执行操作指令，配 备电磁阀组；所述循环动力模块包括可调流量的变频泵和必要节点处的单向阀；所述自动控 制模块、循环动力模块的部件分布于整个管道回路；所述水质调节模块包括密闭加药/料桶、 加药阀和单向阀，设置于管道编组单元的至高点，单向阀安装在与进水管的连通处；所述状态 反馈模块均串联于主干管路的拓展部分；所述活接管道模块根据实验需求，使用不同材质的 管道，定制或改造形状和排布。

所述活接管道模块管道模块材质包括但不限于铜管、镀锌管、不锈钢管、铝塑管、PPR 管、UPVC管、PE管，管道主体包括形状、长度、水头损失完全一致的三段管路，且每段管路中间包含一根快拆管，管道高位至低位的回流管道呈阶梯状。

所述状态反馈模块包括水质在线监测模块、数据通讯模块、安全联控模块，所述水质在 线监测模块包括流量计、水压表、温度计、pH计、浊度计、溶解氧仪，以及可以在线监测氮 磷、生化需氧量、总有机碳多参数的水质测试设备；数据通讯模块包括无纸化记录仪、网络 附属存储；安全联控模块包括漏电保护器、漏水保护器、红外监控摄像头。

所述自动控制模块中的进水电磁阀(1-1)前端连接市政自来水管网，后端连接模块化中 试装置，配合出水阀(1-12)，负责控制进水、换水和调节水力停留时间；当进水电磁阀(1-1)、 电磁阀(1-4)、电磁阀(1-5)、电磁阀(1-6)、出水电磁阀(1-12)均开启时，水体可在本组 管道回路内流动；所述循环动力模块的单向阀(1-7)安装在回路节点，确保水体能够单向流 动；单向阀(1-9)安装在循环泵(1-11)及状态反馈模块(1-18)之后，活接管道模块之前， 避免水体因重力回流，影响仪器设备的正常工作；单向阀(1-10)安装在管路出水口，避免 出水回流，并使每组管道间互不影响；当管道充满水后，电磁阀(1-4)、电磁阀(1-5)、电 磁阀(1-6)保持开启，并且进水电磁阀(1-1)、出水电磁阀(1-12)关闭时，开启变频循环 泵(1-11)，即可使水体在本组管道内循环流动。

所述进水、水质调节模块和出水仅需要1组。

本发明有益效果：本发明应用了“模块”、“管道编组”的设计思路，“管道编组”由n个 “管道编组单元”构成；每个“管道编组单元”由相对独立的功能模块构成，可以部分停用或启用，也可以单独扩建、拓展、改造，以适应不同的实验需求，其使用的灵活性和自由度较高。例如，通过可编程逻辑控制器和电磁阀的配合，本发明的中试装置既可以视为市政自来水管的延伸段，即非循环反应器；又可以使水体在各编组管道内部循环流动，即作为循环反应器。当模拟真实自来水介质环境时，可以停用水质调节模块；当研究特定污染物(或营养物质)对管网内生物膜影响时，可以启用水质调节模块，且可以与水质在线监测模块联动， 以控制加药量。整个装置可以作为中型生物膜反应器使用，开展原位研究；也可以作为生物 膜的孵化器，拆解部分管道进行单独处理和研究；换上新管道又可以源源不断培育新的生物 膜，且其微生物群落结构与管网大环境趋于一致。

管道编组根据不同阶段的不同实验目的，或随着实验需求的调整，在任意时刻通过开闭 特定位置的电磁阀组，可实现单路独立循环模式、多路同步循环模式和混合编组循环模式的 无缝切换。此外，变频水泵和多功能在线监测设备价格昂贵，对于具有多条循环回路的反应 装置，安装多套水泵和监测反馈***成本较高。而本发明通过巧妙设计管路编组，可以实现 多组管道共用一套循环和监测***，在单路独立循环模式中甚至只需要一套循环和监测***， 就可以满足所有管路的循环和监测需求；并且新增管道编组单元，只需将其简单并联接入原 装置，除此之外，并不改变原装置的其他结构，其拓展性和适应性优势较为显著。

本发明通过合理的管路设计，结合电磁阀和可编程逻辑控制器的应用，最少使用一台变 频水泵就可以使整个中试装置的n个管道编组单元分别独立循环，以模拟自来水流过管道的 场景。真实的自来水管并非时刻在流动，其流量根据用水情境，会有时程上的变化。可编程 逻辑控制器具备组合定时功能，可以模拟人群用水规律(例如，早晚高峰时刻用水量较大)， 适时控制管路的通断和切换。当所有电磁阀全部开启时，该中试装置作为市政给水管网的延 伸段，亦可切换为非循环反应器。此时，管道内水体也随之更新。使用者可根据水力停留时 间的需要，任意切换运行模式。

本发明的主体结构为模块化连接，可以进行任意拆分、拼接，便于布设造型、采样分析， 以及更换管道和增加诸如流量计、压力表、温度计和水质自动分析仪等多功能部件。管段以 “组”为单位，每组管段内部具有相同形状的三段管路，作为平行对照；各组管段可以分别 使用不同种类的塑料或金属管道，互不影响。与此同时，主体管道均采用活接方式，待生物 膜成熟之后，管道可以拆下替换。一截新管道的长度相对于整个中试装置的规模，几乎可忽 略不计，其扰动影响较小，管道环境中原有生物膜的脱落与再定殖过程，将促使新管道内壁 表面更容易形成生物膜，并使其种群结构和分布与整个中试装置趋同。因而，可得到源源不 断且相对稳定一致的管道原位生物膜，以便满足后续实验研究中需要控制变量的要求。

本发明的管道编组，亦即安装和排布形式，可以灵活地按照实验需求进行特别设计和组 合。并且，不同的运行模式可以预设在可编程的逻辑控制器中，使用过程中可以自动切换、 无缝切换。通过合理设计管道编组，在满足平行试验和对照试验需求的同时，可最大程度增 加各仪器、管件的综合利用率。

本发明装置结构简单灵活，主体结构为活接管道，无需储水罐，管道排布和水头损失贴 近真实管网；采样方便，对管道内部无扰动干扰；具备关键结构、部件持续升级和重复利用 的功能。并且，能够模拟真实管网运行状态(包括但不限于水力条件、水压、水质、流量变 化规律、管材及其老化或腐蚀环境)，即为实验室研究提供“真实”和“原位”环境。与此同时，还可以作为“原位”生物膜的稳定发生装置。通过合理设计模块化的管路结构，最少使用一套泵***和水质监测设备，即可使每组管道分别单独循环，单独检测，互不影响，达到高效节能、降低成本的目的。该装置可常年无人值守全自动运行，可减少人工维护成本，为生物膜原位培养和反应、污染物的迁移转化机制研究提供一个稳定的实际环境；便于开展管 网环境中，污染物与生物膜及其环境介质的相互作用研究。

附图说明

图1管道编组单元结构图；

图2(a)管道编组结构图；

图2(b)单路独立循环模式等效结构图；

图2(c)多路同步循环模式等效结构图；

图2(d)混合编组循环模式等效结构图；

图3两组管道的编组结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步详细说明。

1.主要结构

本发明的中试装置由n个管道编组单元(管道回路)构成。其中，n为大于或等于1的自 然数，可根据具体实验需求进行设置和更改。管道编组单元如图1所示，主要包括：自动控 制模块、循环动力模块、水质调节模块、状态反馈模块和活接管道模块。其中，自动控制模 块通过可编程逻辑控制器执行操作指令，配备电磁阀组(进水电磁阀1-1、加药电磁阀1-3、 电磁阀1-4、电磁阀1-5、电磁阀1-6、出水电磁阀1-12)。

循环动力模块包括可调流量的变频泵1-11和必要节点处的单向阀1-7(或称止回阀，下 同)、单向阀1-8、单向阀1-9、单向阀1-10。

水质调节模块主要包括密闭加药(料)桶1-2、加药电磁阀1-3和单向阀1-13。

状态反馈模块采用市售现成仪器，又可细分为水质在线监测模块、数据通讯模块、安全 联控模块。水质在线监测模块包括流量计、水压表、温度计、pH计、浊度计、溶解氧仪，以 及可以在线监测氮磷、生化需氧量、总有机碳等多参数的水质测试设备。数据通讯模块包括 无纸化记录仪、网络附属存储(Network Attached Storage,NAS)。安全联控模块包括漏电保护 器、漏水保护器、红外监控摄像头。

活接管道模块可使用不同材质的管道，包括但不限于铜管、镀锌管、不锈钢管、铝塑管、 PPR管、UPVC管、PE管，可基于图1的基本编组单元构造进行适应性定制或改造。特别地， 其管道主体包括形状、长度、水头损失完全一致的三段管路，且每段管路中间包含一根快拆 管，分别为快拆管1-19、快拆管1-20、快拆管1-21。此外，管道高位至低位的回流管道须呈 阶梯状，如图1中1-22所示。

另有进水总控蝶阀1-14保持常开状态，高位采样蝶阀1-15、检修排空蝶阀1-16、低位采 样蝶阀1-17保持常闭。

本发明的管道编组单元具有模块化、可拓展的特点，为了更加清晰地展示模块化管道编 组的设计特点，即连接与排布关系，此处将上述单个管道编组单元(管道回路)简化为矩形， 且略去不影响管道编组整体布局和功能的进水总控蝶阀1-14、高位采样蝶阀1-15、检修排空 蝶阀1-16、低位采样蝶阀1-17，则当管道编组单元有n个时，其主要结构如图2(a)所示，包 括：1组进水和水质调节模块(对应图1中模块1-23)、1组出水模块(对应图1中模块1-25)、 电磁阀序列2-1(即2-1-1至2-1-(n-1)的(n-1)个电磁阀)、电磁阀序列2-2(即2-2-1至2-2-(n-1) 的(n-1)个电磁阀)、电磁阀序列2-3(即2-3-1至2-3-(n-1)的(n-1)个电磁阀)、电磁阀序列2-4 (每组分别对应图1中电磁阀1-4所示位置，即2-4-1至2-4-n的n个电磁阀)、电磁阀序列 2-5(每组分别对应图1中电磁阀1-5所示位置，即电磁阀2-5-1至2-5-n的n个电磁阀)、电 磁阀序列2-6(每组分别对应图1中电磁阀1-6所示位置，即电磁阀2-6-1至2-6-n的n个电 磁阀)、单向阀序列2-7(每组分别对应图1中单向阀1-7所示位置，即2-7-1至2-7-n的n个 单向阀)、单向阀序列2-8(每组分别对应图1中单向阀1-8所示位置，即2-8-1至2-8-n的n 个单向阀)、单向阀序列2-9(每组分别对应图1中单向阀1-9所示位置，即2-9-1至2-9-n的 n个单向阀)、单向阀序列2-10(每组分别对应图1中单向阀1-10所示位置，即2-10-1至2-10-n 的n个单向阀)、仪器设备序列2-11(每组分别对应图1中循环动力及状态反馈模块1-24，根 据实际需求，可启用2-11-1至2-11-n中的任意一组或多组仪器设备)以及管道若干。

2.各部分的关系和作用

本发明的每个管道编组单元中，自动控制模块、循环动力模块的部件分布于整个管道回 路。其中，进水电磁阀1-1前端连接市政自来水管网，后端连接模块化中试装置，配合出水 阀1-12，负责控制进水、换水和调节水力停留时间。当进水电磁阀1-1、电磁阀1-4、电磁阀 1-5、电磁阀1-6、出水电磁阀1-12均开启时，水体可在本组管道回路内流动；单向阀1-7安 装在回路节点，确保水体能够单向流动。单向阀1-9安装在循环泵1-11及状态反馈模块1-18 之后，活接管道模块之前，避免水体因重力回流，影响仪器设备的正常工作。单向阀1-10安 装在管路出水口，避免出水回流，并使每组管道间互不影响；当管道充满水后，电磁阀1-4、 电磁阀1-5、电磁阀1-6保持开启，并且进水电磁阀1-1、出水电磁阀1-12关闭时，开启变频 循环泵1-11，即可使水体在本组管道内循环流动。

水质调节模块的密闭加药(料)桶1-2位于管道编组单元的至高点。单向阀1-13安装在 与进水管的连通处，防止自来水进入加药桶。通过加药电磁阀1-3，可向中试装置定时定量提 供营养液或反应底物。

状态反馈模块所包括的流量计、水压表、温度计、pH计、浊度计、溶解氧仪，以及在线 监测氮磷、生化需氧量、总有机碳等多参数水质测试设备的传感器依次串联于主干管路的拓 展部分1-18。所得数据信号，经过变送放大，传送至无纸化记录仪保存，并拷贝至网络附属 存储，以便随时调取。此外，总电源处须安装漏电保护器、总进水管处须安装漏水保护器、 实验室安装红外监控联网摄像头，以保障实验场所和实验人员的安全。

活接管道模块中，依次串联有长度、形状、水头损失相同的三段管道，可作为实验研究 的平行对照；三段管道的中间位置各包括一节快拆管，分别是快拆管1-19、快拆管1-20、快 拆管1-21，可用作生物膜采样管或反应容器。水流循环时，通过阶梯状的回流管道1-22进行 缓降，相较水平管道更易于顺势排出管内空气，相较坡度陡降的长直管道更利于保持满管流 态。

进水总控蝶阀1-14安装在进水干管(分流之前)，当发生漏水事故或者自动控制***故障 时，用于手动切断进水。检修排空蝶阀1-16安装在单向阀1-9之后，活接管道模块之前，维 护反应器时用于排水。

高位采样蝶阀1-15安装在本组管道的高位采样口；低位采样蝶阀1-17安装在本组管道的 低位采样口。

本发明的模块化中试装置，由n个上述的管道编组单元并联而成。特别地，进水和水质 调节模块(对应图1中模块1-23)、出水模块(对应图1中模块1-25)仅需要1组。管道编组根据不同阶段的不同实验目的，或随着实验需求的调整，在任意时刻通过开闭特定位置的 电磁阀组，可实现3种编组模式(即连接、排布方式)的切换：(1)单路独立循环模式、(2)多路同步循环模式、(3)混合编组循环模式。

(1)单路独立循环模式

当实验所需的管道编组单元数量较少，公用管段较短且对实验影响可忽略不计时，可以 使用单路独立循环模式。此时，电磁阀序列2-1、电磁阀序列2-2、电磁阀序列2-3，均处于 常开状态。电磁阀2-5序列只开启其中1个(此处以电磁阀2-5-1开启为例)，则该开启电磁 阀所在管路作为公用主干管路，循环动力及状态反馈模块的相应仪器设备串联于该主干管路。 其等效简化结构如图2(b)所示。通过自动控制模块中可编程逻辑控制器和电磁阀的配合，依 次连通第1个管道编组单元至第n个管道编组单元，只需要一套循环动力和水质监测设备， 即可使每组管道分别单独进行注水、循环、监测流程。以第1个管道编组单元为例：注水或 换水时，先打开进水电磁阀和出水电磁阀，然后电磁阀序列2-4中仅打开电磁阀2-4-1、电磁 阀序列2-6中仅打开电磁阀2-6-1，此时自来水即可注入第1个管道编组单元。管路中设置有 单向阀序列2-7、单向阀序列2-8和单向阀序列2-10，可保证各个管道编组单元之间互不影响。 注水或换水结束后，关闭进水电磁阀和出水电磁阀，开启变频循环泵及水质监测设备，即可 进行该组管道的水流循环和水质监测。同理，当其余管道编组单元进行注水或换水过程时， 只需保持进水电磁阀和出水电磁阀为开启状态，当进行循环过程时，只需保持进水电磁阀和 出水电磁阀为关闭状态，然后均逐个开启上述电磁阀序列2-4和电磁阀序列2-6在每组管道 中对应的电磁阀即可。

(2)多路同步循环模式

当实验研究需要多组管道进行平行实验(如多组相同材质、形状的管道)或对照实验(如 多组不同材质、相同形状的管道或多组相同材质、不同形状的管道)时，要求所有管道必须 同时循环，则使用多路同步循环模式。此时，电磁阀序列2-2、电磁阀序列2-3，均处于常闭 状态；电磁阀2-5序列、电磁阀序列2-6均处于常开状态。其等效简化结构如图2(c)所示。 各管道编组单元分别依次进行注水和换水。以第1个管道编组单元为例：注水或换水时，需 先打开进水电磁阀、出水电磁阀和电磁阀序列2-1，然后打开电磁阀序列2-4中的电磁阀2-4-1 即可。同理，当下一组管道进行注水或换水流程时，仅需打开电磁阀序列2-4在下一个管道 编组单元中对应的电磁阀，并关闭上一个管道编组单元内的电磁阀即可。所有管道编组单元 注水或换水结束后，关闭进水电磁阀、出水电磁阀和电磁阀序列2-1，使每个管道编组单元相 互独立。随后，开启电磁阀序列2-4，开启仪器设备序列2-11，即可使各个管道编组单元同步 进行水体的循环流动。

(3)混合编组循环模式

当实验研究既需要相同环境下的平行试样，又需要控制变量的对照试样时，可根据需求， 设计任意数量的混合编组，其结构和原理为单路独立循环模式和多路同步循环模式的有机结 合。例如，当第1个和第2个管道编组单元为单路独立循环模式，其余管道编组整体为多路 同步循环模式时：电磁阀序列2-1中的电磁阀2-1-1保持常开状态。电磁阀序列2-2和电磁阀 序列2-3中，第1个和第2个管道编组单元之间的电磁阀2-2-1和电磁阀2-3-1保持常开状态， 其他电磁阀均处于常闭状态。电磁阀序列2-5中，第1个管道编组单元所含电磁阀2-5-1与第 2个管道编组单元所含电磁阀2-5-2任选1个保持常开状态(此处以电磁阀2-5-1常开为例)， 剩余电磁阀保持常闭状态，所在管路作为备用管道回路。电磁阀序列2-6中，除开第1个管 道编组单元和第2个管道编组单元所含的电磁阀2-6-1和电磁阀2-6-2，其余电磁阀保持常开 状态。其等效简化结构如图2(d)所示。

注水或换水时，需先确保进水电磁阀、出水电磁阀和电磁阀序列2-1所有电磁阀均开启， 随后依次开启电磁阀序列2-4中的电磁阀2-4-1至电磁阀2-4-n。特别地，每次只开启其中一 个电磁阀，而该序列中其他电磁阀均关闭，则可使各编组管道单元分别完成注水或换水流程。 所有管道编组单元注水或换水结束后，关闭进水电磁阀、出水电磁阀和电磁阀序列2-1中除 第1个管道编组单元和第2个管道编组单元之间的电磁阀2-1-1以外的其他电磁阀。

混合编组进行水体的循环流动过程时：对于应用单路独立循环模式的第1个和第2个管 道编组单元，电磁阀序列2-4中所含的电磁阀2-4-1、电磁阀2-4-2应交替启动或关闭；对于 应用多路同步循环模式的管道编组单元，直接开启电磁阀序列2-4中该模式所包含的所有电 磁阀。随后，开启仪器设备序列2-11中对应的仪器设备即可。

实施例1

本发明中试装置的单个管道编组单元结构如图1所示，整个管道编组的连接形式如图2(a) 所示。若使用者不需要十分全面的功能，也不需要随时调整实验方法，则可以直接将管道编 组单元连接为图2(b)～图2(d)所示的任意一种形式，即可节省许多部件。当实验所需的管道 编组单元数量较少，公用管段较短且对实验影响可忽略不计时，推荐使用单路独立循环模式。 该模式使用管件和设备最少，经济节能，是本发明最重要的工作模式之一。

该模式更具体的实施方式，以2个管道编组单元为例进行说明：如图3所示，一组管道 3-7使用UPVC管，代表常见的塑料材质管道；另一组管道3-8使用304不锈钢管，代表常见的金属材质管道。两组管道内的水体分别交替循环30分钟，以模拟流动状态；管道非循环时期以及整个***静置的30分钟模拟静止状态，同时也让循环泵充分散热。每组管道循环3次后，换水4分钟，可充分保障管道内水体彻底更新。每天每组管道循环6次，换水2次。装 置工作内容主要包括注水、循环、换水三个过程；工作状态以外的时间，则模拟末梢管网的 水力停留过程。

(1)注水过程：当管道编组单元3-7进行注水时，首先开启出水口电磁阀3-6，随后依 次开启电磁阀3-2和电磁阀3-4，最后开启进水口电磁阀3-1。注水结束后，先关闭进水口电 磁阀3-1，随后依次关闭出水口电磁阀3-6、电磁阀3-2和电磁阀3-4。同理，当管道编组单元 3-8进行注水时，首先开启出水口电磁阀3-6，随后依次开启电磁阀3-3和电磁阀3-5，最后开 启进水口电磁阀3-1。注水结束后，先关闭进水口电磁阀3-1，随后依次关闭出水口电磁阀3-6、 电磁阀3-3和电磁阀3-5。

(2)循环过程：两组管道最初均为静止状态。当管道编组单元3-7进行循环时，首先开 启电磁阀3-2、3-4，随后开启循环泵。当管道编组单元3-8接替编组单元3-7进行循环时，首 先关闭循环泵，随后关闭电磁阀3-2和3-4，同时开启电磁阀3-3、3-5开启，最后再开启循环 泵；同理，当管道编组单元3-7接替编组单元3-8进行循环时，首先关闭循环泵，随后关闭电磁阀3-3和3-5，同时开启电磁阀3-2、3-4开启，最后再开启循环泵。

(3)换水过程：当管道编组单元3-7进行换水时，先确保循环泵处于停止状态，电磁阀 3-2、3-4保持开启，接着开启出水口电磁阀3-6，随后再开启进水口电磁阀3-1，同时开启循 环泵，保持4分钟进行换水。换水完毕后，依次关闭循环泵，进水口电磁阀3-1、出水口电磁 阀3-6、电磁阀3-2、电磁阀3-4。同理，当管道编组单元3-8进行换水时，先确保循环泵处于 停止状态，电磁阀3-3、3-5保持开启，接着开启出水口电磁阀3-6，随后再开启进水口电磁 阀3-1，同时开启循环泵，保持4分钟进行换水。换水完毕后，依次关闭循环泵，进水口电磁 阀3-1、出水口电磁阀3-6、电磁阀3-3、电磁阀3-5。

为了减小水锤效应，电磁阀在开闸或闭闸之前，尽可能使循环泵处于关闭状态，因而设 计时间控制序列表时，应提前或延迟10～20秒开闭电磁阀。两组管道的详细工作状态见表1 (以下将“第n个管道编组单元”简称为“第n组”，管道编组单元3-7记为第1组，管道编组单元3-8记为第2组)。如果还有第3组、第4组以至第n组，相应自动控制模块时间序列 表可以此类推。

表1中试装置自动控制模块时间序列表

本发明并不局限于实施例中所描述的技术，它的描述是说明性的，并非限制性的。本发 明的权限由权利要求所限定，基于本技术领域人员依据本发明所能够变化、重组等方法得到 的与本发明相关的技术，都在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种模块化的全自动给水管道中试装置，其特征在于，由n个管道编组单元并联而成，其中，n为大于或等于1的自然数；所述管道编组单元包括自动控制模块、循环动力模块、水质调节模块、状态反馈模块和活接管道模块；所述自动控制模块通过可编程逻辑控制器执行操作指令，配备电磁阀组；所述循环动力模块包括可调流量的变频泵和必要节点处的单向阀；所述自动控制模块、循环动力模块的部件分布于整个管道回路；所述水质调节模块包括密闭加药/料桶、加药阀和单向阀，设置于管道编组单元的至高点，单向阀安装在与进水管的连通处；所述状态反馈模块均串联于主干管路的拓展部分；所述活接管道模块根据实验需求，使用不同材质的管道，定制或改造形状和排布。

2.根据权利要求1所述模块化的全自动给水管道中试装置，其特征在于，所述活接管道模块管道模块材质包括但不限于铜管、镀锌管、不锈钢管、铝塑管、PPR管、UPVC管、PE管，管道主体包括形状、长度、水头损失完全一致的三段管路，且每段管路中间包含一根快拆管，管道高位至低位的回流管道呈阶梯状。

3.根据权利要求1所述模块化的全自动给水管道中试装置，其特征在于，所述状态反馈模块包括水质在线监测模块、数据通讯模块、安全联控模块，所述水质在线监测模块包括流量计、水压表、温度计、pH计、浊度计、溶解氧仪，以及可以在线监测氮磷、生化需氧量、总有机碳等多参数的水质测试设备；数据通讯模块包括无纸化记录仪、网络附属存储；安全联控模块包括漏电保护器、漏水保护器、红外监控摄像头。

4.根据权利要求1所述模块化的全自动给水管道中试装置，其特征在于，所述自动控制模块中的进水电磁阀(1-1)前端连接市政自来水管网，后端连接模块化中试装置，配合出水阀(1-12)，负责控制进水、换水和调节水力停留时间；当进水电磁阀(1-1)、电磁阀(1-4)、电磁阀(1-5)、电磁阀(1-6)、出水电磁阀(1-12)均开启时，水体可在本组管道回路内流动；所述循环动力模块的单向阀(1-7)安装在回路节点，确保水体能够单向流动；单向阀(1-9)安装在循环泵(1-11)及状态反馈模块(1-18)之后，活接管道模块之前，避免水体因重力回流，影响仪器设备的正常工作；单向阀(1-10)安装在管路出水口，避免出水回流，并使每组管道间互不影响；当管道充满水后，电磁阀(1-4)、电磁阀(1-5)、电磁阀(1-6)保持开启，并且进水电磁阀(1-1)、出水电磁阀(1-12)关闭时，开启变频循环泵(1-11)，即可使水体在本组管道内循环流动。

5.根据权利要求1所述模块化的全自动给水管道中试装置，其特征在于，所述进水、水质调节模块和出水仅需要1组。

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