長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)非滿管運(yùn)行時(shí)的充水對(duì)策措施

劉 偉

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司，上海 200092)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)水資源的需求也逐漸加大，特別是在水資源時(shí)空分布不均的地區(qū)，我國(guó)正在進(jìn)行各種大型引調(diào)水工程建設(shè)，通過(guò)引調(diào)水工程優(yōu)化局部地區(qū)水資源配置，為經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供強(qiáng)有力的保障，然而，長(zhǎng)距離有壓輸水管道在建成后運(yùn)行管理仍存在一定問(wèn)題。

長(zhǎng)距離輸水管道在建設(shè)過(guò)程中不可避免地形變化的問(wèn)題，導(dǎo)致管線建設(shè)成多個(gè)連續(xù)的U型或W型曲折管段。在建設(shè)成或檢修后，運(yùn)行中需對(duì)管道進(jìn)行充水，在充水的過(guò)程中存在瞬變流、容易發(fā)生水錘。目前，已對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，如王福軍等[1]研究了大型管道輸水系統(tǒng)充水過(guò)程瞬變流；穆祥鵬等[2]比較復(fù)雜輸水系統(tǒng)水力過(guò)渡的數(shù)值方法；黃玉毅等[3]、郭曉朦等[4]、王俊[5]、朱滿林等[6]研究長(zhǎng)距離壓力輸水工程中的水擊等水力現(xiàn)象；趙向軍[7]研究發(fā)現(xiàn)，工程實(shí)際證明充水過(guò)程控制不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生水錘、斷流彌合水錘、管道氣堵、氣爆等嚴(yán)重危害；齊向南等[8]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生水力過(guò)渡時(shí)，整個(gè)輸水管路系統(tǒng)中水壓普遍劇降，在這些駝峰位置，一旦管路中壓強(qiáng)急劇下降至當(dāng)時(shí)水溫的汽化壓以下，液態(tài)水將發(fā)生汽化，管道中水流的連續(xù)性遭到破壞，造成水柱分離，當(dāng)分離開(kāi)的兩水柱重新彌合時(shí)，如排氣過(guò)快將會(huì)形成彌合水錘。另外，在由低地勢(shì)向高地勢(shì)供水時(shí)，采用水泵向管道充水更為復(fù)雜，除管道沖刷、瞬變流及水錘外，還需保證水泵運(yùn)行的安全平穩(wěn)，如有操作誤差就會(huì)導(dǎo)致水泵正常運(yùn)行的失敗，甚至?xí)p壞水泵及供水系統(tǒng)。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)長(zhǎng)距離輸水管道充水過(guò)程中的瞬變流、水柱分離及水錘等理論分析及研究較多，而在管道充水運(yùn)行操作過(guò)程中，關(guān)于解決這些問(wèn)題的應(yīng)對(duì)措施的研究較少。本文針對(duì)管道充水過(guò)程中存在的沖刷、水錘等問(wèn)題提出相應(yīng)的解決措施，為類似工程的建設(shè)、運(yùn)行及管理提供經(jīng)驗(yàn)，也為本工程生產(chǎn)運(yùn)行后檢修、維護(hù)重新充水工作提供借鑒。

1 工程概況

1.1 G輸水工程

G輸水工程位于我國(guó)西北地區(qū)烏魯木齊市，設(shè)計(jì)輸水流量為40萬(wàn)m3/d。水廠至中途泵站的長(zhǎng)度為29.4 km，利用水泵向高差為155 m的高地供水，采用2根DN1800鋼管輸水。中途泵站至末端泵站的長(zhǎng)度為50 km，利用水泵向高差為130 m高地供水，采用1根DN1400球墨鑄鐵管輸水。過(guò)障礙位置采用鋼管，全線每4 km設(shè)置1處檢修閥，在隆起點(diǎn)設(shè)置排氣閥。該工程輸水管線如圖1所示，由水廠至中途泵站及中途泵站至末端泵站均采用高揚(yáng)程水泵進(jìn)行輸水，輸水管線沿途地勢(shì)平緩上升，僅局部存在U型曲折管段。

圖1 G輸水工程管線布置Fig.1 Layout of G Water Diversion Project Pipelines

1.2 L輸水工程

L輸水工程位于我國(guó)西北地區(qū)烏魯木齊市，設(shè)計(jì)輸水流量為20萬(wàn)m3/d。水廠至A水池管理站的長(zhǎng)度為30 km，利用115 m的落差重力輸水，采用2根DN1200球墨鑄鐵管輸水，過(guò)障礙位置采用鋼管。A水池管理站至B水池管理站的長(zhǎng)度為14 km，利用202 m的落差重力輸水，采用1根DN1000球墨鑄鐵管輸水，過(guò)障礙位置采用鋼管，全線每4 km設(shè)置1處檢修閥，在隆起點(diǎn)設(shè)置排氣閥。該工程輸水管線如圖2所示，由水廠至A、B水池管理站均采用重力輸水，輸水管線沿途需攀爬高差為40 m的山坡、跨越多道沖溝，整個(gè)輸水管線類似于波浪狀。

圖2 L輸水工程管線布置Fig.2 Layout of L Water Diversion Project Pipelines

2 充水方案應(yīng)對(duì)措施分析

2.1 工程設(shè)計(jì)分析

2.1.1 充水條件及方式總述

在長(zhǎng)距離輸水管道建成后，首次運(yùn)行或檢修后啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，先要對(duì)管道充水并充滿，管道充滿后整個(gè)供水系統(tǒng)即可正常運(yùn)行。但管道在建設(shè)過(guò)程中隨地形敷設(shè)，因此，地形變幅較大時(shí)充水速度較難控制，充水速度過(guò)快時(shí)容易產(chǎn)生氣堵(圖3)，甚至伴隨管道負(fù)壓和水柱分離等現(xiàn)象(圖4)。為防止出現(xiàn)上述現(xiàn)象，管道充水速度需得到控制，充水流速在0.3 m/s左右，最大充水流速為0.6 m/s[9]。管道沿線應(yīng)適當(dāng)設(shè)置排氣閥，減少或避免管道負(fù)壓的發(fā)生。另外，充水速度不宜太低，太低的充水速度排不出管道的存氣，不利于管道排氣，也會(huì)導(dǎo)致充水時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

圖3 管道充水過(guò)程及空氣閥排氣Fig.3 Pipes Water Filling Process and Air Valve Venting

圖4 水柱分析與斷流彌合Fig.4 Water Column Analysis and Cut-Off Close

長(zhǎng)距離輸水管道供水方式主要分為兩種，一種采用水泵由地勢(shì)低向地勢(shì)高區(qū)域供水，另一種采用重力由地勢(shì)高向地勢(shì)低區(qū)域供水。因此，輸水管道在建成后充水方式通常可有水池重力充水和水泵充水。重力充水時(shí)需控制出流流量，同時(shí)，還需控制管道沿線高低起伏處的充水流量。除需滿足重力充水的條件外，水泵充水還應(yīng)控制水泵運(yùn)行工況，避免水泵過(guò)載等損壞水泵的情況。

本文分別以G輸水工程水廠至中途泵站水泵充水控制及L輸水工程水廠至A水池管理站管道沿線充水控制為例作出分析。

2.1.2 G工程水泵充水方案設(shè)計(jì)分析

為控制G輸水工程出廠水及管道沿線的充水流量，在檢修閥門主管道一側(cè)設(shè)置旁通管并配套減壓孔板及控制閥門(圖5)。

圖5 充水閥門布置Fig.5 Layout of Water Filling Valve

旁通管管徑根據(jù)主管進(jìn)水流速進(jìn)行設(shè)計(jì)，本工程主管道充水流速取0.3 m/s，旁通管管道流速按不超過(guò)3 m/s計(jì)，則不同主管管徑對(duì)應(yīng)旁通管管徑如表1所示。

表1 不同主管管徑下旁通管管徑Tab.1 Bypass Pipe Diameter under Different Main Pipe Diameters

G輸水工程主管管徑為1 800 mm，則旁通管管徑為600 mm。在旁通管上再設(shè)置減壓孔板，以達(dá)到有效控制充水流量的目的。減壓孔板的水頭損失，計(jì)算如式(1)～式(2)。

(1)

(2)

其中：Hk——減壓孔板的水頭損失，m；

Vk——減壓孔板后管道內(nèi)水的平均流速，m/s；

g——重力加速度，m/s2；

ζ1——減壓孔板的局部阻力系數(shù)；

dk——減壓孔板孔口的計(jì)算內(nèi)徑；取值應(yīng)按減壓孔板孔口直徑減去1 mm確定，m；

d1——管道的內(nèi)徑，m。

G輸水工程水廠二級(jí)泵房?jī)?nèi)最小單泵流量為2 200 m3/h，揚(yáng)程為158 m，選擇水泵型號(hào)繪制水泵特性曲線，水泵運(yùn)行的最大流量為2 747 m3/h，對(duì)應(yīng)揚(yáng)程為135 m，此時(shí)，采用減壓孔板限制水泵繼續(xù)增加流量以避免水泵損壞，并繪制出管道空管時(shí)的管路特性曲線和管道充滿后的管路特性曲線(圖6)，以確定水泵最小流量。

圖6 水泵特性曲線及管道空管、滿管的管路特性曲線Fig.6 Characteristic Curve of Pumps and Empty/Full Pipelines

如圖6所示，當(dāng)管道充滿水后，水泵通過(guò)減壓孔板的限制出水最小流量為1 200 m3/h，對(duì)應(yīng)揚(yáng)程為180 m，則水泵在減壓孔板的限制下，水泵的流量為1 200～2 747 m3/h，對(duì)應(yīng)揚(yáng)程為180～135 m。

為保證G輸水工程水廠的二級(jí)泵房水泵平穩(wěn)充水，則設(shè)置的減壓孔板需減壓Hk1=135 m，Vk1=2.7 m/s，d11=0.6 m。利用式(1)～式(2)確定dk1=0.174 m，考慮到單孔過(guò)流的不均勻性，本工程按照開(kāi)孔總面積在減壓孔板上均勻開(kāi)孔(圖7)。在減壓孔板下游側(cè)，孔將被加寬，呈斜角的形狀，以減小氣蝕。

圖7 減壓孔板開(kāi)孔分布Fig.7 Pressure-Relief-Orifice Plate Tapping Distribution

G輸水工程采用水泵進(jìn)行充水，本文僅介紹該工程的水泵出口流量控制及避免水泵過(guò)載的控制方案，對(duì)于輸水管線沿線的充水控制，可參照L輸水工程管線沿線充水控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1.3 L工程充水方案設(shè)計(jì)分析

L輸水工程水廠至A水池管理站管線總長(zhǎng)度為30 km，管徑為DN1200，該段管線位于山區(qū)內(nèi)，管線蜿蜒曲折，水廠至A水池管理站管線縱向剖面如圖8所示，總體由地勢(shì)高向地勢(shì)低處敷設(shè)，中間不斷有高低起伏。

圖8 L輸水工程水廠至A水池管理站管線縱向剖面Fig.8 Longitudinal Section Pipelines from L Water Diversion Project Plant to A Pool Station

本工程結(jié)合每4 km設(shè)置的檢修閥，在檢修閥處設(shè)置旁通管路系統(tǒng)，控制由高差導(dǎo)致的流速增加的問(wèn)題，另外，在管線敷設(shè)坡度較大的管段位置增設(shè)檢修閥及旁通管路系統(tǒng)，避免該段管道長(zhǎng)時(shí)間的沖刷。由表1可知，本工程主管為DN1200檢修閥處應(yīng)設(shè)置DN400旁通管路系統(tǒng)。為滿足本工程選用減壓孔板開(kāi)孔的需求，該段管線根據(jù)式(1)～式(2)計(jì)算孔板消耗不同水損需要的開(kāi)孔面積，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可知，可在選定的檢修閥位置消減相應(yīng)的高差，并選定相應(yīng)的減壓孔的開(kāi)孔面積，減壓孔板可進(jìn)行相應(yīng)的開(kāi)孔設(shè)計(jì)，開(kāi)孔分布可按圖7進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表2 消耗不同水頭損失下的減壓孔板計(jì)算Tab.2 Calculation of Pressure-Relief-Orifice Plate under Different Head Loss

L輸水工程為重力供水，出口流量較為容易控制，因此，本文針對(duì)于L輸水工程僅介紹管線沿線充水方案。

2.2 工程充水方案

2.2.1 G工程

由上述分析可知， G輸水工程為水泵提升輸水工程。由表1可知，在水廠泵房出水主管上設(shè)置DN600旁通管路系統(tǒng)，并設(shè)置減壓孔板，在首次充水時(shí)保護(hù)水泵正常運(yùn)行，并控制首次充水流量。同時(shí)，在管道坡度變化較大的適當(dāng)位置設(shè)置檢修閥及旁通管路系統(tǒng)。根據(jù)消耗不同的水損，設(shè)置不同的減壓孔板，以滿足在非滿管情況下主管流速不大于0.3 m/s的條件，并在旁通管上設(shè)置閥門，便于充水及正常運(yùn)行狀態(tài)之間切換。首次充水時(shí)關(guān)閉檢修主閥，打開(kāi)旁通閥，待整個(gè)管道系統(tǒng)充滿水后，打開(kāi)主管閥門關(guān)閉旁通管路系統(tǒng)，使整個(gè)輸水系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

2.2.2 L工程

L輸水工程為水池重力輸水工程，在廠區(qū)出水管設(shè)置電動(dòng)閥控制出水流量，使主管滿管時(shí)流速不大于0.3 m/s。同時(shí)，在管路沿線設(shè)置同G輸水工程相同的充水管路系統(tǒng)，保證輸水管路系統(tǒng)在充水時(shí)的系統(tǒng)安全。

3 結(jié)論

(1)本工程充水方案能限制主管路系統(tǒng)充水流速在0.3 m/s及以下，可有效降低或避免由于充水過(guò)快導(dǎo)致水錘、管道沖刷及爆管等現(xiàn)象，保障輸水管路系統(tǒng)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)的安全。

(2)本工程設(shè)置的減壓孔板可避免水泵在啟動(dòng)充水時(shí)過(guò)載運(yùn)行，保護(hù)水泵安全運(yùn)行。

(3)本工程充水方案為長(zhǎng)距離輸水管道充水提供了有效控制措施，降低管道運(yùn)行管理難度，提高管理單位工作效率。本文相關(guān)的研究成果為長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)中的非滿管時(shí)的管理運(yùn)行提供技術(shù)參考。