長距離雙管輸水系統連通管設計思路探討

黃志剛， 王 濤

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 工程概況

擬建巢湖市長江供水工程為中型Ⅲ等工程,由長江干流和縣段取水,采用長距離管道兩級加壓輸送原水至含山縣和巢湖市。規劃水平年2035年設計引水流量5.889 m3/s(1.06×48萬t/d),年引水量1.2億m3,管線全長約80.8 km,主要建筑物有取水泵站、加壓泵站、輸水管線及管道附屬建筑物等。工程沿線共設置有兩個分水口:第一個分水口位于含山縣二水廠附近,分水流量1.227 m3/s(1.06×10萬t/d);第二個分水口位于巢湖市二水廠附近,分水流量0.981 m3/s(1.06×8萬t/d)。工程可行性研究階段雙管輸水方案中,取水泵站～含山分水口段選用DN1800預應力鋼筒混凝土管,含山分水口～加壓泵站～巢湖二水廠～巢湖市三水廠段選用DN1600預應力鋼筒混凝土管,管道糙率n取0.0125,管頂最小覆土厚度1.5 m。規劃工程供水工況見表1。

表1 規劃工程供水工況表

2 水泵選型與連通管設計

由表1可知,本工程各工況下用水需求存在巨大差異,取水泵站-加壓泵站段流量最大差值3.2倍,加壓泵站-巢湖三水廠段流量最大差值2.9倍,其中工況5為設計工況,工況1～4為近期用水需求工況,工況6為事故工況(事故水量按設計水量的70%考慮)。

以加壓泵站為界,前后兩段管線布置類同,以取水泵站-加壓泵站段為例介紹連通管設計的思路。在不考慮設置連通管時,取水泵站-加壓泵站段雙管運行各工況揚程計算值見表2,其中事故工況6按不考慮設置連通管一條管道事故計算揚程。

表2 取水泵站-加壓泵站段雙管運行各工況揚程表

從表2中可知,取水泵站-加壓泵站段最小揚程24.1 m,最大揚程76.6 m。一般通過變速調節(額定轉速的0.7～1.2倍)等常規調節措施,水泵揚程可在額定揚程上下調節50%左右即要求最大揚程與最小揚程3倍差值以內,若各工況都按雙管運行,3.18倍揚程差造成水泵選型極其困難,且極不經濟,小流量工況下,因流速低、容易造成管道淤積。對此,通過輸水系統設置連通管,靈活切換單雙管運行方式,在滿足不同用水需求工況下,減小系統揚程差,為水泵選型提供有利條件。

2.1 連通管間距計算原理

設兩條輸水管管徑分別為DN1、DN2,總設計流量為Q(m3/s),DN1及DN2的比阻系數分別為A1、A2,得方程組:

Q2=Q-Q1

聯立求解方程組可得:

則:

Q1=kQ

Q2=Q-Q1=(1-k)Q

當輸水干管設計流量為Q(m3/s),事故水量為αQ(m3/s),輸水干管總長度為L(m),連通管間距S(m)。假定泵房出水壓力為一定值,當DN2某段發生事故時,其管道的水頭損失維持不變,輸水干管DN1的沿程水頭損失:

A1(αkQ)2(L-S)+A1(AQ0)2S=A1(kQ)2L

上述聯通管間距計算中,假定取水泵房出水壓力為定值,實際情況是,當水泵的流量降低到70%時,水泵的揚程將會增大,即可利用的水頭會增大,理論上連通管的間距可以適當加大。工程實際應用中一般偏安全考慮,簡化計算,不考慮水泵流量降低揚程升高的有利因素。

2.2 連通管設計

巢湖市長江供水工程各段雙管均同管徑,根據前述連通管間距計算方法,取水泵站-加壓泵站段、加壓泵站段-巢湖三水廠段各設置2處連通管,可行性研究階段將各段平均分為3段。連通管管徑確定的原則:在不影響管道正常輸水的前提下,當兩條輸水干管的管徑相同時,連通管和連通管閥門宜選擇比輸水干管小一號的管徑;當兩條輸水干管的管徑不相同時,連通管及連通管閥門應采用較小輸水的管徑,以減少閥門的投資。因此巢湖供水工程雙管輸水方案中,取水泵站-加壓泵站段連通管管徑選用DN 1600(圖1),加壓泵站-巢湖三水廠段連通管管徑選用DN 1400。按流速不下于0.7 m/s原則控制管道運行方式,計算取水泵站-加壓泵站段各工況下水泵揚程;其中事故工況分別按一處管段事故、兩處管段事故以及三處管道事故計算揚程,計算結果見表3。

圖1 取水泵站-加壓泵站段連通管布置簡圖

表3 設置2處連通管各工況揚程表

從表3中可知,通過開關連通閥門,出現小流量工況1、2時,單管運行,輸水系統最大揚程和最小揚程差值由3.18倍減小到2.50倍,在發生1處管段事故時,最大揚程較設計供水工況提高11.4%,發生2處管段事故時,最大揚程較設計供水工況提高38.1%,發生3處管段事故時,最大揚程較設計供水工況提高43.7%,設計中可通過變速等調節措施解決水泵選型問題。前期方案設計中,連通管按管線長度分三段平均設置,后期深化設計時,可在揚程控制段適當增加連通管進一步降低揚程差,為水泵選型創造更加有利條件。

3 結束語

巢湖市長江供水工程近期與遠期用水需求差異巨大,且沿線設有多個分水口,為方便水泵選型,保證各工況下水泵經濟運行提供技術支撐,設計利用設置的連通管,按照用水需求、靈活采用單管或雙管運行,控制允許最小流速0.7 m/s,且發生極端事故工況,利用設置的連通管,系統仍能滿足事故用水需求,滿足管道輸水工程的供水保證率要求。本工程水泵選型及連通管設計思路可為同類工程提供參考。