多目標長距離輸水管道系統調壓設計探討

□李 朋

長距離輸水工程能夠有效解決我國北方地區水資源匱乏問題，滿足國民經濟迅速發展和人民生活水平不斷提高對水的需求。對于輸水方式的選擇，管道輸水方式因對地質條件要求較低，施工方便，滲漏率小，造價較低等優點而被廣泛應用。例如，南水北調中線配套輸水工程多采用管道輸水。

長距離輸水管道工程一般包括多個供水目標，不同供水目標的水量、水壓需求不同。因此，需要對輸水管網各節點進行流量和壓力調節與控制，以滿足供水目標對水壓的要求。

此文歸納總結了在長距離輸水管道系統中常用的調壓方案和措施，并分析了其適用情況。同時，以河北省南水北調配套工程某輸水管線為工程背景，根據工程現狀存在的調壓問題，進行調壓設計，采取相應的調壓措施，使得輸水管線工程滿足運行要求。

1.水力計算基本公式

1.1 管道阻力損失

對于輸水管線而言，管道阻力損失為：

式中：

Hi—管線沿程水頭損失(m)；

hj—管線局部水頭損失(m)。

1.2 管線沿程水頭損失

沿程水頭損失采用謝才公式：

式中：

L—管道長度(m)；

C—謝才系數；

n—糙率系數；

R—水力半徑(m)；

Q—設計流量(m3/s)；

v—平均流速(m/s)。

1.3 局部水頭損失計算

式中：

v—管道水流平均流速(m/s)；

ζ—局部水頭損失系數。

局部水頭損失系數依據水力計算手冊、給排水手冊等介紹的公式、圖表計算或選用。

2.調壓措施選擇

在輸水管道上游水位（水壓）一定的情況下，調壓設計就是通過改變輸水管線的阻力損失，以使管線末端水位（水壓）滿足運行要求。根據水力計算公式可知，管道阻力損失分為沿程損失和局部損失。因此，可以通過增大或減小公式中的相關參數來改變管線的沿程或局部損失，進而達到管線調壓的目的。

2.1 設置調壓調流閥

調壓調流閥有多噴孔和扇葉圈兩種結構，水流經由各個噴孔或扇葉噴出，在管道內部相互碰撞，消耗大量能量，再通過調節活塞的開度，即可實現減壓、調流的功能。圖1 為調壓調流閥工作原理示意圖。它是通過改變管線局部損失以達到壓力調節的目的。

調壓調流閥是最常用的調壓設施，具有實時調節，高效便捷，精確控制等優點。調壓調流閥的缺點是造價較高，同時電動調流調壓閥需要配套的電氣設備。

2.2 調整管道糙率

根據水頭損失計算公式，管材糙率對沿程水頭損失影響較大。在設計輸水管道工程時，若某一段管線水壓較高，超過運行要求，在不增設其他設施的情況下，可通過選擇較大糙率的管材，增大該段管線的沿程水頭損失，降低管線末端水壓。

該措施適用于工程設計階段，管線運行工況較為穩定的情況，較易實現，工程造價低。但該措施不能實現實時調節。

2.3 增設旁通管

圖1 調壓調流閥工作原理示意圖

圖2 調壓調流閥工作原理示意圖

圖3 旁通管平面布置圖

表1 設計工況下水頭損失及水位統計表

表2 主管線末端分水口水力計算成果表

表3 B 支線現狀水力計算成果表

表4 增設旁通管后B 支線水力計算成果表

在工程投資有限制或不適于設置調壓調流閥時，為達到可以在一定范圍內實時調節壓力的目的，可以在主管一側增設旁通管，旁通管上設置閥門，水流經旁通管至下游。水流經過旁通管，改變了局部水頭損失系數，同時通過調節閥門開度，對管線壓力進行調節。

由于主管管徑一般較大，在主管上調節壓力精度較差，安全風險較大，因此，該方法不適宜直接調節主管線上的閥門。

該方法施工方便，造價較低，可以在一定范圍內實時調節壓力。考慮到管道運行安全，該方法一般只適用于特殊短暫工況。

3.工程案例

3.1 工程簡介

河北省南水北調配套工程某輸水管線由某干渠中引水，取水口設加壓泵站。管線分為主管線，長16km，管徑1.2m，管 材DIP。 A 支 管 線，長 度0.22km，管徑0.5m，管材DIP，A 支管末端為M 水廠。B 支管線，長度27km，管徑1.0m，管 材DIP，B 支 管 末 端 為N 水廠。為調節壓力，在A 支管末端設有電動調壓調流閥。 DIP 管材糙率取0.0122。輸水管線供水系統示意圖如圖2 所示。

設計工況下，取水口水位11.52m，水泵設計揚程55.5m，M 水廠配水井水位23.30m，N 水廠配水井水位21.00m。主管線流量1.15m3/s，A 支管流量0.3m3/s，B 支管流量0.85m3/s。設計工況下水頭損失及水位計算如表1 所示。根據計算結果可知，各支管末端水位滿足水廠配水井水位要求。

3.2 工程現狀存在問題

由于近期M 和N 水廠用水量偏少，A 支線和B 支線實際輸水規模僅分別為0.15m3/s 和0.19m3/s，干線輸水規模為0.34m3/s，且近期內持續維持此規模運行，由此造成A 支線與B 支線調壓困難。

取水口泵站水泵為變頻水泵，根據實際運行情況，小流量情況下水泵揚程可以調節至滿足M 水廠供水。以A 支線管道末端水位作為初始條件，根據現狀水力條件進行現狀水力復核。具體計算過程為：以M 水廠配水井水位作為A 支線管道末端水位，A 支線調流閥全開(水頭損失最小)，反推主干線末端分水口水位，并以該水位作為B 支線水力計算的起點邊界條件復核B 支線末端水位。計算成果見表2、表3。

由表2、表3 可知，在滿足M 水廠0.15m3/s 供水要求情況下，B 支線0.19m3/s 供水時，B 支線末端水位27.9m，較配水井水位富裕水頭6.9m，對水廠配水井運行造成一定困難，需采取調壓措施。

3.3 調壓設計

由于近期小流量供水僅為臨時短暫工況，增設電動調流閥造價較高，且需增加較多土建項目及配套設施，工程占地較大，工期較長。同時需設專門運行管理崗位，后期運行費用高。經綜合比選，為滿足近期短暫工況運行，選用在B 支線末端增設旁通管的措施進行調壓設計。旁通管布置如圖3 所示。

B 支線管道末端增設DN1000 蝶閥，管道小流量運行時，該蝶閥運行狀態為全關；蝶閥右側設旁通管，旁通管設蝶閥，小流量運行時水流經旁通管流至下游水廠。通過增設小管徑旁通管同時調節旁通管蝶閥開度，增加水頭損失，以滿足N 水廠運行水位要求。

旁通管管徑越小，消抵富裕水頭作用越大，但管徑過小使得管內流速過大，不利于運行安全，綜合考慮上述因素，經水力試算，旁通管、蝶閥管徑選用DN300，管內流速2.75m/s。經計算，當蝶閥維持開度53%時，可滿足調節要求，水力計算成見表4。

4.結論與建議

在輸水工程長期運行中，受供水目標消納水量變化的影響，工程輸水量是不斷變化的。輸水量的變化將導致水壓變化，進而帶來調壓問題，在長距離輸水工程中更為明顯。因此，在長距離輸水管道工程的設計階段，應充分考慮工程運行后可能存在的各種運行工況，并提出相應的調壓調流措施，保證工程正常運行。

管道系統調壓措施包括設置調壓調流閥，調整管道糙率，增設旁通管等。不同的調壓措施優缺點各異，應用條件不同。管道調壓設計應根據具體工況需求采取適宜的調壓措施。

此文以河北省南水北調配套工程某輸水管線為工程實例，根據工程現狀存在的調壓問題，進行調壓設計。由于近期小流量供水僅為臨時短暫工況，同時考慮到現有工程對增設調壓調流閥多種限制因素，為消除小流量工況下管線末端較大富裕水頭，依據水力復核計算結果，通過在管線末端增設旁通管，增大水頭損失，滿足配水井水位要求，使得輸水管線系統在小流量供水工況下保持正常運行。

綜上所述，在工程實踐中，輸水管道調壓設計應綜合考慮調壓措施適用條件、調壓精度以及工程重要性、經濟因素等，通過優化比選，最終確定最優調壓方案。□