河段生態補水輸水管線方案KYPipe水力論證比選

蔣衛明，文楊發

(遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563002)

1 工程概況

遵義市湘江上游河段生態補水工程位于貴州省遵義市中心城區東北面，地處湘江左岸支流仁江魚劍灘河段。湘江上游河段生態補水四面山泵站主要任務是向高坪河補最小1.14 m3/s的水量，以改善高坪河、干溪河及湘江干流河段的水質，提升湘江沿岸居民生活品質。工程擬建一座泵站利用3根DN700水泵進水支管，從仁江河取水經3根DN700水泵出水支管匯總至1根DN1100、長431 m的上水鋼管提至泵站站址旁山頭上的中轉上水池，再經DN1100、長10.68 km的球墨鑄鐵輸水管重力自流至北關水庫，最后經水庫調蓄后下放至高坪河、干溪河及湘江干流河段，實現生態補水。泵站設計提水流量為1.0 m3/s，設計裝置揚程為146.01 m，3臺臥式雙吸離心泵(2用1備)，總裝機功率3 360 kW，工頻運行。

四面山泵站屬于大流量長距離高揚程泵站，在事故停泵時極易發生斷流彌合水錘，對泵站設備和運行人員的安全造成極大危險[1-2]。結合工程地形地貌及地質條件，四面山泵站至北關水庫的輸水管線擬定兩種方案進行比選，即方案一為一站式提水，通過水泵從仁江河內取水并直接提水至北關水庫進行補水；方案二為中轉上水池提水，在泵站站址附近合適的地形條件處修建中轉上水池，通過水泵提水至中轉上水池，經重力自流至北關水庫。為確保四面山泵站高揚程、長距離輸水管線具有較高的運行安全性及技術經濟性，采用KYPipe Surge2010水力分析軟件對兩種管線方案下的水力過渡過程進行模擬仿真，優選水錘防護安全經濟性較優的方案，為工程建設順利實施提供有力的技術保障。

2 輸水管線過渡過程仿真分析

2.1 水泵選型

根據泵站設計提水流量和設計裝置揚程確定兩種管線方案的特性參數，見表1。

表1 兩種管線方案特性參數

從表1可以看出，兩種管線方案中水泵設計裝置揚程僅相差1.69 m，而設計提水流量及臺數均一致，故最終對應的水泵型號一致，選擇與工程實際匹配性較好的KQSN400-N6W/724型臥式雙吸離心泵，水泵設計流量為1 798 m3/h，設計揚程為150 m，額定轉速為1 480 r/min，配套電機功率為1 120 kW。

2.2 水力過渡過程模擬仿真

《泵站設計規范》(GB 50265-2010)中明確要求，發生事故停泵時，應滿足水泵最高反轉轉速Nmax≤1.2倍額定轉速Ne；最高壓力Pmax≤1.3～1.5倍水泵出口額定壓力Pe；管道任何部位不會出現水柱斷裂等要求。如不能滿足要求，則應采取對應的水錘防護措施[3-5]。

2.2.1 一站式提水方案

1) 穩態過程分析。通過軟件KYPipe模擬計算，在穩態運行時，因一站式提水方案中泵站上水管線最高點不在末端，而在管線樁號上9+999.42～上10+266.65間的管段。水泵將水提至該樁號以后，為防止在最高點處出現水柱拉斷現象，需在上水管末端出口前出設置一個DN1100可調節開度的電動閘閥。經KYPipe軟件計算，電動閥門開度設置為20%。

2) 瞬態過程分析。利用KYPipe軟件模擬未加任何水錘防護措施情況下的瞬態過渡過程，設置水泵在某一時刻發生事故停泵，考慮在水泵出口管道上設置具有快慢關閉功能的液力自動工作閥，其關閉規律采用4.0 s快關90%的開度，剩余10%的開度慢關45 s。

為確保管線運行安全，在管線上設置水錘防護設備，即在上水管首段樁號為上0+015.00和上0+016.00處分別設置一個DN200的水擊泄放閥，前一個水擊泄放閥的高壓開閥壓力值設定為160 m，低壓關閥值為155 m。后一個水擊泄放閥的高壓開閥壓力值設定為170 m，低壓關閥值為165 m；在上0+525.61、上0+547.44、上5+805.18、上5+991.67、上6+045.28、上6+806.91、上7+448.95、上7+653.12、上7+786.22、上9+999.42和上10+266.64處分別設置一個DN150(微排口直徑為DN3.2)的注氣微排閥；在上6+878.55處設置一個DN100的復核式排氣閥。經KYPipe軟件模擬仿真得到設置水錘防護措施后的水力包絡線，見圖1。

軟件計算結果表明，管線上設置水錘防護措施條件下，水泵出口壓力最大值為147.70 m，為額定值的1.11倍；液力自動工作閥出口壓力最大值為173.50 m，為額定值的1.31倍，均未超規范值規定得1.3～1.5倍，滿足規范要求；水泵不發生反轉。上水管在樁號上7+448.95～上7+786.22間存在負壓情況，其中在樁號上7+653.12處出現最大負壓值，該點處已設置有注氣微排閥，最大負壓值為0.9 m。查看該點的壓力波動曲線，該點有約30 s處于負壓狀態，負壓過后雖存在正壓升高現象，但升高的最大正壓值為15.1 m，低于規范技術指標要求，不會造成水柱拉裂而產生斷流彌合水錘。因此，在管線上加設防止負壓的水錘防護措施是合理可行的。

圖1 一站式提水方案水力包絡線

2.2.2 中轉上水池提水方案

在四面山泵站站址西南方向的山坡上修建一座有效容積為580 m3的中轉上水池，泵站經1根DN1100長431 m的上水管提水至上水池后，再經管徑DN1100、長10.68 km的輸水管道自流至北關水庫，上水池設計水位959.00 m，故僅對泵站及上水管進行水力過渡過程仿真模擬。

1) 穩態過程分析。通過軟件KYPipe模擬計算，在穩定運行時，水泵揚程能滿足水力坡降的要求，水泵前端的壓力較高，水力坡降較少，能滿足穩定運行需要；水泵后端的壓力坡降雖較大，但均能滿足上水管出口壓力要求。因此，穩態工況下，水泵運行性能良好。

2) 瞬態過程分析。利用KYPipe軟件模擬未加任何水錘防護措施情況下的瞬態過渡過程，設置水泵在某一時刻發生事故而停泵，考慮在水泵出口管道上設置具有快慢關閉功能的液力自動工作閥，其關閉規律采用2.0 s快關90%的開度，剩余10%的開度慢關30 s。

采用KYPipe軟件，對水泵僅加液力自動工作閥作為水泵出口止回閥的過渡過程進行模擬仿真，得到管線運行水力包絡線，見圖2。

軟件計算結果表明，僅加液力自動工作閥作為水泵出口止回閥的防護條件下，水泵出口壓力最大值為152.50 m，為額定值的1.04倍；止回閥出口壓力最大值為183.50 m，為額定值的1.26倍，均未超過規范值規定的1.3～1.5倍，滿足規范要求；水泵不發生反轉；上水管全線均未出現負壓情況，滿足規范要求。

圖2 中轉上水池提水方案水力包絡線

3 輸水管線方案比選

從兩種管線方案的水泵選型及水力過渡過程模擬仿真分析結果可知：

1) 技術運維方面。一站式提水方案的上水管線起伏大，存在多個高點，需增加各式水錘防護設備(泄壓閥、空氣閥及帶開度調節的閘閥)，其設備后期的運行維護難度大，一旦設備出現故障，整個泵站系統極易發生停泵水錘，對人身及設備安全造成較大隱患。而中轉上水池提水方案通過在高點修建中轉上水池，在根本上降低了停泵水錘造成危害的可能性，其可靠性要高于一站式提水方案的設備加持作用，且上水池距離泵站較近，水池日常運行維護較為方便。

2) 經濟投資方面。兩種方案的水泵選型相同，裝機相同，故泵站內的機電設備投資及泵站后期運行費用上基本一致；兩種方案的總管線長度相差無幾，管徑相同，管線投資幾乎相同。但由于提水方案不同，兩種方案所采用的水錘防護方案相差較大，即中轉上水池提水方案中設置的中轉上水池可明顯改善泵站提水系統的正壓升壓及負壓狀況，雖增加上水池的工程投資(約70.2萬元，含征地及施工費用)，但相比一站式提水方案所需裝設的水錘防護設備的投資(150.94萬元)而言，中轉上水池提水方案要節省80.74萬元。

綜合分析，設計優選技術可行、經濟優越、運行維護方便的中轉上水池提水方案。

4 結 論

科學規劃和合理布局輸水管線對確保高揚程、長距離輸水工程發揮效益和順利實施起到至關重要的作用。通過對遵義市湘江上游河段生態補水工程輸水管線方案的KYPipe軟件模擬仿真分析和技術經濟性對比，主要取得如下結論：

1) 一站式提水方案由于有壓輸水管線長、揚程高，較中轉上水池提水方案其水錘防護措施復雜，后期運行維護難度較大；中轉上水池提水方案較一站式提水方案雖增加了上水池工程投資，但其水錘防護簡單，綜合投資相對還節省80.74萬元。

2) 在高揚程、長距離輸水的提水泵站工程中，若泵站站址附近具備修建中轉水池的地形條件下，修建中轉水池可大幅降低泵站提水系統的水錘防護難度及相應的設備投資，提高泵站運行的可靠性及安全性。