高揚程遠距離供水安全關鍵技術研究

牟聲遠

摘 要：近年來，國家加大農村飲水解困工程建設，改善了農村飲水困難問題，但在工程建設中，對于不同地區不同類型的供水工程，因地制宜、利用新技術新設備，探求經濟安全、便于管理的供水工程技術具有重要的現實意義。本文結合陜西省山陽縣天竺山供水工程高揚程、遠距離、小流量的特點，對其關鍵技術，主要包括：水源選擇，新型泵的選擇，經濟管徑的確定，自動化控制等進行研究，采用特種柱塞泵及自動化控制技術，以最少投資、方便管理實現安全供水之目標。

關鍵詞：供水安全;高揚程;水力計算;自動化控制

中圖分類號： S277.7 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號： 1673-1069（2017）01-155-2

1 ?工程概況

山陽縣天竺山森林公園位于縣城東南30km的鶻嶺以南，鄖嶺以北，東西長約40km，南北寬約25km，總面積1058hm2，最高海拔2074.4m，最低海拔1225m，森林覆蓋率88%。據縣旅游局提供，大頂接待游客預測最高日為20000人，其中用餐人數為5000人/日，供水量50m3/d。通過實地勘測和調查，天竺山山坡非常陡，山頂及山坡沒有充足供水水源，依靠集雨供水，集流一則沒有適當的地形、地質條件，二則還需要砍伐松林，且投資大，所以只有利用天竺山坡腳的長溝地表水源，該溝在七里峽入口前的陰坡，溝內常年流水，從來未斷流，實測最小流量為20L/s，距天竺山森林公園約10km，高差約1330m，水量和水質滿足供水要求。故計劃在七里峽入口前的陰坡溝口建一級加壓站，在站前距溝口30m處設滲渠取水，取水高程720.0m，溝泉水經側向濾池進入集水室，再經DN110PE管流入柱塞泵吸水口，經加壓，通過高壓輸水管道將水送至山頂高位蓄水池。

2 ?選泵

由于旅游區用水時間多集中在白天，而且5000人用水時間基本上集中在11：00～16：00時的5個小時之內，由于泵站揚程高，供水量小，若采取多級供水，不僅工程投資大，建設難度大，而且管理也很復雜，故計劃采用以下三種一級供水方案。

方案一： 24小時供水，泵站設計流量：Q=50m3/24h=2.08m3/h;方案二：21小時供水，泵站設計流量：Q=50m3/21h=2.38 m3/h;方案三：16小時供水，泵站設計流量：Q=50m3/16h=3.13m3/h。

根據寶雞航天動力泵業有限公司及天津海盛泵業公司提供工業用高壓柱塞泵特性，并根據本工程高揚程的特點，三種方案選擇泵型如下：方案一：寶雞航天動力泵業的3DS18.5（22MPa，2.1m3/ h，18.5kW）兩臺，一用一備;方案二：天津海盛泵業的3D1-SZ-40/20（20MPa，2.4m3/h，18.5kW）兩臺，一用一備;方案三：寶雞航天動力泵業的3DS22（22MPa，3.1m3/h，22kW）兩臺，一用一備。

3 ?管道最優化計算

壓力水管直徑的選擇是一個動能經濟比較問題：當增大直徑時，水管造價亦隨之增加，但其流速減小，水頭損失引起的電能損失也可以小一些;反之，當減小直徑，造價雖然降低，但其流速增大，損失的電能就要多一些。而目前計算管道經濟直徑的公式都不是針對本工程的，很難達到最優，對于高揚程、長距離本供水工程而言，一些經驗性指標的微小變化，也會產生很大的差異[1，2]，因此，管徑問題已成為其關鍵問題。

壓力鋼管的主要荷載是內水壓力，由它在管壁中所形成的環拉應力是控制壁厚的主要因素。根據工業工程管道設計規范，管壁厚度可按如下公式初選[3]：

t=（cm） ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：p為內水壓強p=9.81H（103Pa）;D為管內徑（cm）;[σ]為鋼材允許應力，取[σ]=164.0 MPa;φ為焊接系數，取0.9（單面對焊接）和0.95（雙面對接焊）。

其中：作用水頭H=△H+hf

式中：H為作用水頭（m）;△H為高差;hf為沿程損失水頭。

hf= （2）

其中：v為流速，v=Q/S=4Q/πD2，其中，Q為流量;n為粗糙系數（鋼管中等粗糙系數為0.0125）;R為斷面水力半徑（m），R=D/4;C為謝才系數，C=R1/6/n;所以：

hf== （3）

要使鋼管重量最小，則應使鋼管截面面積最小，其截面面積A=πDt ? ? ? ? ? （4）

代入得：A= （5）

為求極小值，需兩邊對D求導，并令其為零，則得：

=

=0

即：D=（） ?（6）

公式（6）即為壓力水管的經濟直徑計算公式。

3.1 管內徑計算

陜西省山陽縣天竺山供水工程高差約為1330m，輸水距離大l=10000m，其中糙率系數n取0.0125，按以上初選三種方案分別計算。方案一流量Q=2.1m3/h，方案二流量Q=2.4m3/h，方案三流量Q=3.1m3/h，根據公式（6）計算管內徑如下：

D24=（）

=0.030m=30mm

D21=（）

=0.031m=31mm

D16=（）

=0.034m=34mm

根據計算，工況一時，管的內徑選30mm;工況二時，管的內徑選擇32mm;工況三時，管的內徑選34mm。

3.2 水頭損失計算

根據公式（3），24小時工作時：

hf==726m

21小時工作時：

hf==672m

16小時工作時：

hf==811m

3.3 管道壁厚計算

根據公式（1），24小時工作時：

t==0.0019

21小時工作時：

t==0.0020

16小時工作時：

t==0.0023

考慮到鋼管再運行中的銹蝕與磨損，對所計算得的管壁厚度增加1～2mm的銹蝕裕量，因此，三種方案均取壁厚為4mm。

3.4 流速計算

根據公式：v=Q/S=4Q/πD2得：

v24==0.83m/s

v21==0.83m/s

v16==0.95m/s

3.5 泵壓力較核

三種方案水泵壓力分別為22MPa，20MPa和22MPa。

P24=9.81×（1330+726）×103=20.2MPa<22MPa

P21=9.81×（1330+672）×103=19.6MPa<20MPa

P16=9.81×（1330+811）×103=21.0MPa<22MPa

因此三種方案所選泵型揚程滿足要求。

3.6 三種方案比較

[工作時間＼&24小時＼&21小時＼&16小時＼&泵型

泵壓力

流量（m3/h）

流速（m/s）

泵功率

管外徑

壁厚＼&3DS18.5

22MPa

2.1

0.83

18.5kW

38 mm

4 mm＼&3D1-SZ

20MPa

2.4

0.83

18.5kW

40 mm

4 mm＼&3DS22

22MPa

3.1

0.95

22kW

42 mm

4 mm＼&]

從各種指標來看，方案一功率小，管徑小，一次投資小，但設備運行時間長，方案三功率大，管徑大，投資大。通過概算，三種方案工程靜態總投資分別為92.35萬元、89.29萬元和97.05萬元。因此，綜合來看，推薦方案二（21小時工作），即柱塞泵使用天津海盛泵業公司提供的（3D1-SZ-40/20），鋼管選擇40×4無縫鋼管。

4 ?遠程供水監控系統

由于山坡陡峭，交通不變，為了提高管理水平且省電，擬采用自動化控制。遠程供水監控系統一般監控距離在5公里以上，監控系統包括遠程通訊系統、數據在線監測系統和遠程控制系統三部分。由于有線方式采用光纖通訊，費用太高，設備有效利用率也低，因而采用無線通訊較好，費用低、安裝、調試、維修也方便。

高位蓄水池設置上下限水位，由水位傳感器提供信號，各種設備同步工作，圖1～圖5為控制原理圖。

<E：＼123＼中小企業管理與科技·上旬刊201701＼1-197＼7-1.jpg>

圖1 ?系統供水遠程監控原理圖

<E：＼123＼中小企業管理與科技·上旬刊201701＼1-197＼7-2.jpg>

圖2 ?系統供水遠程監控拓樸圖

<E：＼123＼中小企業管理與科技·上旬刊201701＼1-197＼7-3.jpg>

圖3 ?系統結構圖

<E：＼123＼中小企業管理與科技·上旬刊201701＼1-197＼7-4.jpg>

圖4 ?數據采集系統接線圖

<E：＼123＼中小企業管理與科技·上旬刊201701＼1-197＼7-5.jpg>

圖5 ?水泵控制系統接線圖

5 ?結束語

陜西省山陽縣天竺山供水工程具有高揚程、長距離輸送的特點，本供水工程采用的方案主要關鍵技術包括：水源選擇，特種柱塞泵選擇，最優管徑，自動化控制等。本文針對這些問題進行研究，為同類型農村供水工程提供參考。

參 考 文 獻

[1] 劉玉忠，付艷鋒.農村飲水安全工程設計要點探討[J]. 河南水利與南水北調，2008（3）：12～13.

[2] 張大偉，董玉良，綦山.農村飲水工程管道設計及材料選定[J].黑龍江水利科技，2004（3）：34～35.

[3] 金鐘元，伏義淑.水電站[M].北京：中國水利水電出版社，1994.