長(zhǎng)距離大落差重力流管道輸水技術(shù)

楊照明 張金承

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 烏魯木齊 830000）

重力流管道輸水存在流量控制、水錘壓力防護(hù)、進(jìn)排氣等諸多問(wèn)題，如何保證安全運(yùn)行是一道難題。由于輸水工況的復(fù)雜性，在短管路中可忽略不計(jì)的因素，在長(zhǎng)輸水管路中可能成為事故隱患，國(guó)內(nèi)外報(bào)道中常有重力式管道輸水工程出現(xiàn)各種安全事故的工程實(shí)例。阿拉山口供水工程是目前已建工程集長(zhǎng)距離、大落差、地形復(fù)雜于一體的重力流管道輸水的工程實(shí)例，為我國(guó)重力式管道輸水技術(shù)積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

新疆阿拉山口供水工程由取水首部工程、輸水管道及隧洞工程、尾部調(diào)節(jié)水庫(kù)工程三部分組成，為Ⅲ等中型工程；工程任務(wù)是為國(guó)家一類口岸——阿拉山口口岸區(qū)的邊防部隊(duì)、鐵路、工業(yè)、城鎮(zhèn)和生態(tài)綠化供水，年供水量2232萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)供水流量1.3m3/s；工程輸水距離長(zhǎng)62.1km，其中，輸水管線長(zhǎng)47.747km，隧洞長(zhǎng)14.346km，總落差710m，為充分利用地勢(shì)條件，采用PCCP管道重力流輸水，管道直徑為DN900及DN800。該工程于2006年7月開(kāi)工建設(shè)，2009年10月通水。

2 管道工程布置

阿拉山口供水工程渠首沒(méi)有調(diào)節(jié)能力，管道供水流量隨季節(jié)而變化，加上管線長(zhǎng)、地形落差大、地形起伏段多，運(yùn)行工況復(fù)雜，對(duì)管道安全運(yùn)行極為不利。經(jīng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，設(shè)計(jì)采用分段輸水方案，以降低管道的工作壓力，保證安全運(yùn)行；隧洞前的管線分成三段，隧洞后的管線分成兩段，每段的地形落差不超過(guò)160m，全線管道最大靜水壓力控制在1.8MPa之內(nèi)，各分段間以消能井連接，前后管段構(gòu)成獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。根據(jù)該工程的地形條件，結(jié)合已建工程經(jīng)驗(yàn)，在地形隆起處布置排氣閥，共設(shè)置62座，平均0.9km有一座排氣閥井。此外，沿線還設(shè)置了26個(gè)排水閥井。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 分段管道輸水的聯(lián)動(dòng)控制

3.1.1 分段管道末端閥門設(shè)備及消能井的布置

阿拉山口輸水工程線路中，尾部可由阿拉山口口岸供電，但管線前40多km處地偏遠(yuǎn)，沿線沒(méi)有動(dòng)力電源；隧洞施工輸電線路只能供電至隧洞進(jìn)口，即第三段管道末端，這樣，第三管段末端及隧洞后的第四、第五管道分段末端的控制閥井系統(tǒng)都可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)控制；但前面的第一、第二分段末端的消能閥井無(wú)電動(dòng)控制的條件。此次研究的主要內(nèi)容之一，是對(duì)控制系統(tǒng)加以改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)在無(wú)電源線路段利用管道的水壓傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)各分段管道流量的聯(lián)動(dòng)控制，保證流量控制的精確性和供水的穩(wěn)定性。

目前在新型流量控制閥中，多噴孔套筒式錐形閥具有流量控制與消能的雙重功能，一般為電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，也可以用液壓驅(qū)動(dòng)代替電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，但該閥必須與液位控制閥（位移控制器）組合，才能實(shí)現(xiàn)多噴孔控制閥的流量調(diào)節(jié)。液位控制閥一般放置于下游水池內(nèi)，通過(guò)連通管與錐形閥的液壓缸和上游管道相連。當(dāng)下游水池水位變化時(shí)，通過(guò)壓力傳感器及閥門上游管道的水壓推動(dòng)液壓缸，調(diào)節(jié)多噴孔控制閥的流量使水池的液位變化，從而控制閥門的下泄流量。該工程每段管道的末端均設(shè)有多噴孔控制閥和消能井，具備以上控制要求的所有條件，有實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制的可能。以上各設(shè)備的布置見(jiàn)圖2。

3.1.2 聯(lián)動(dòng)控制工作方式

第一、第二管道分段的末端分別設(shè)有獨(dú)立的流量調(diào)節(jié)組合系統(tǒng)，包括消能井、多噴孔控制閥、電磁閥、壓力傳感器、位移傳感器、浮球閥、流量計(jì)及控制箱等，共同完成各項(xiàng)控制，通過(guò)邏輯判斷完成控制閥的流量調(diào)節(jié)，最終完成隧洞前的3個(gè)多噴孔控制閥下泄流量一致。第一、第二管道末端控制循環(huán)流程見(jiàn)圖3。

圖1 輸水管道分段示意圖

圖2 分段管道末端閥門設(shè)備及消能井的布置

第三分段管道末端在隧洞進(jìn)口，在工程實(shí)施后期有從隧洞施工輸電線路中引入電源的條件，所以將多噴孔控制閥由液壓驅(qū)動(dòng)改為電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，并配置有壓力傳感器、電磁流量計(jì)及控制箱（閉環(huán)比較分析系統(tǒng)）。為使整個(gè)引水工程前后輸水流量控制協(xié)調(diào)一致，在引水渠首及管道的進(jìn)水前池處設(shè)有壓力傳感器、量水堰測(cè)流儀、取水首部引水閘水位控制器及引水閘啟動(dòng)控制裝置，從引水渠首到第三段管道末端組成一個(gè)大的自動(dòng)控制閉合網(wǎng)。首先通過(guò)中控室控制箱的閉環(huán)比較分析系統(tǒng)對(duì)采集到的渠首和第三段末端的流量、水壓信息進(jìn)行邏輯分析，之后發(fā)出PLC信號(hào)給第三控制閥的控制系統(tǒng)，收到信號(hào)后再控制電動(dòng)驅(qū)動(dòng)多噴孔控制閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，流量變化后通過(guò)管道傳到第二段末的消能井，引起消能井水位發(fā)生變化，變化后帶動(dòng)第二段末端的多噴孔控制閥調(diào)節(jié)流量，依此傳遞，最后到達(dá)第一段。這種調(diào)節(jié)流量方式是由后段逐級(jí)向前段分級(jí)實(shí)現(xiàn)的，并由管道的水壓通過(guò)管道分段中間的消能井向上游傳遞。管道前三段控制流程見(jiàn)圖4。

圖3 第一、第二管道末端控制循環(huán)流程

圖4 管道前三段控制流程

在管道沿線無(wú)電源的情況下，利用管道的水壓傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)各分段管道聯(lián)動(dòng)控制，是該工程的一大特點(diǎn)，目前運(yùn)行情況良好，此成果可省去光纜和輸電線路投資，可在同類長(zhǎng)距離輸水工程中推廣應(yīng)用。電磁閥和電磁流量計(jì)的少量用電用70cm×40cm的太陽(yáng)能板電池即可解決。

3.2 管道末端消能

該工程管道輸水是分段運(yùn)行的，經(jīng)水力計(jì)算，分段管道末端既需要對(duì)流量的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，又需要消除高落差帶來(lái)的富裕能量，以便下一段管道進(jìn)口平穩(wěn)入水；各種運(yùn)行工況時(shí)，水流經(jīng)過(guò)這五段管道后，除沿程水頭損失和局部損失外，末端尚有8～158m的水頭，由于管道供水流量隨季節(jié)而變化，在調(diào)節(jié)管道流量的同時(shí)，消除出口的富裕水頭，是保證各段管道正常輸水運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題。根據(jù)科研院校對(duì)阿拉山口供水工程的數(shù)值計(jì)算分析［1］和模型試驗(yàn)［2］結(jié)論，各消能井前上游的管道必須設(shè)置流量控制閥。該工程選用的是具有流量控制與消能雙重功能的多噴孔控制閥，通過(guò)該閥門控制流量并消除絕大部分出口富裕水頭，再經(jīng)過(guò)消能井消除余能，水流平穩(wěn)進(jìn)入下一級(jí)管道；通過(guò)控制閥的開(kāi)度控制管道流量和消能井中的水位，前后管段構(gòu)成了獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)。這種分段連接方式既保證了消能，又降低了管道的工作壓力，一旦控制閥出現(xiàn)故障，利用消能井也可完全承擔(dān)消能，避免對(duì)下段管線造成破壞。

阿拉山口供水工程中，采用流量控制閥和消能井聯(lián)合應(yīng)用的方式簡(jiǎn)單、可靠，很好地解決了大落差管道輸水的流量調(diào)節(jié)與消能問(wèn)題。

3.3 排氣閥設(shè)置

有壓供水管道排氣是幾十年來(lái)的世界性難題，阿拉山口供水工程沿線地形復(fù)雜，地形起伏較大，給管道的進(jìn)排氣提出了很高的要求，現(xiàn)有的規(guī)程［3］規(guī)定：“進(jìn)排氣閥口徑在僅需要排氣功能時(shí)宜取輸水管道直徑的1/12～1/8，在進(jìn)排氣閥功能均需要時(shí)，宜取輸水管道直徑的1/8～1/5”。此次選DN150作為全線通用口徑。該工程全線進(jìn)排氣閥的間距分四種情況區(qū)別設(shè)置：

a.沿管道水流方向的地形是上升的，管道內(nèi)氣體很容易隨著水流由低處向高處移動(dòng)，這樣的地形進(jìn)排氣閥間距可以超過(guò)規(guī)范規(guī)定的一般為1000m左右，經(jīng)布置后最大間距達(dá)1.7km，這種地形段的管道容易排氣，選用常規(guī)的進(jìn)排氣閥。

b.沿管道水流方向地形是下降的，管道內(nèi)氣體的移動(dòng)方向在充水階段與水流的方向是相反的，這種地形進(jìn)排氣閥的間距按規(guī)程布置，一般不超過(guò)1000m，選用以大排氣量為主的進(jìn)排氣閥。

c.在地形縱向坡度變化較大處，在沿線大的隆起點(diǎn)的頂部、洪溝上游及河道的上游岸坡變坡處，這種地形的進(jìn)排氣閥往往排氣量大，壓力瞬間變化大，宜選具有進(jìn)排氣量大，并有緩沖功能的進(jìn)排氣閥。

d.在地形坡度平緩段，特別是沿管道地形是緩慢下降的，在充水階段氣體容易在管道頂部形成波狀流進(jìn)而形成段塞流，造成管道充水緩慢，在正常運(yùn)行階段管道內(nèi)氣體又含量較少，氣體容易附著在管道頂部不易被水流帶到下游，對(duì)這樣的管段進(jìn)排氣閥間距宜小些，進(jìn)排氣閥間距控制在不超過(guò)800m。這種地形要求選用能夠連續(xù)排出多段氣體，又具有緩沖功能的進(jìn)排氣閥。

e.特殊地形不能按常規(guī)布置進(jìn)排氣閥的要求選擇進(jìn)排氣閥口徑和間距，設(shè)計(jì)上進(jìn)行了必要的分析和計(jì)算，文獻(xiàn)［4］論述了特殊地形段有負(fù)壓出現(xiàn)的管段進(jìn)排氣閥口徑的確定問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)距離大落差重力流管道輸水技術(shù)是在工程設(shè)計(jì)、實(shí)施各階段中逐步完善的。應(yīng)運(yùn)用模型試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算分析、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試改進(jìn)等多方面手段，理論和實(shí)踐相結(jié)合，確保長(zhǎng)距離重力式輸水工程的安全運(yùn)行。■

1 倪漢根等.新疆阿拉山口供水工程輸水管道工程力學(xué)數(shù)值分析計(jì)算報(bào)告.大連理工大學(xué).2004.8.

2 侍克斌等.新疆阿拉山口供水工程輸水管道消能井水利學(xué)模型試驗(yàn)報(bào)告.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué).2003.7.

3 中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)CECS193:2005《城鎮(zhèn)供水長(zhǎng)距離輸水管（渠）道工程技術(shù)規(guī)程》.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2006.

4 張金承等.阿拉山口供水工程進(jìn)排氣閥設(shè)置及特殊地形段進(jìn)排氣閥確定方法.水利建設(shè)與管理.2010（10）:11-13.