程魯豐，張 濤，羅雙全，尹興奕

（中國石油工程建設公司，北京 100120）

阿爾及利亞長距離輸水管道水力分析及優(yōu)化

程魯豐，張 濤，羅雙全，尹興奕

（中國石油工程建設公司，北京 100120）

針對阿爾及利亞因薩拉赫到塔曼拉撒特長距離輸水管道項目初步設計中水力設計存在的問題，開展了全程靜態(tài)水力分析，指出了原初步設計中水力計算存在的問題和不足，采用改變部分泵站蓄水池高程和輸水泵葉輪的方案優(yōu)化了全程水力計算，解決了原初步設計中水力設計的問題，避免了需重新布局泵站或更換引擎可能造成的重大經(jīng)濟損失。

長距離輸水管道；水力分析；設計；優(yōu)化

1 工程概況

塔曼拉撒特是阿爾及利亞南部的重要城市，位于撒哈拉沙漠腹地，為滿足塔曼拉撒特日益增長的用水需求，阿爾及利亞政府決定從擁有豐富地下水資源的因薩拉赫建設到塔曼拉撒特的長距離輸水工程。該輸水工程的初步設計由瑞士公司STUCKY在2005年11月完成，并以該初步設計技術文件為基礎規(guī)定了合同的特殊技術條款。該工程分為地下水鉆井、水源地集輸管網(wǎng)及處理站和集水池、長輸管道 （分3個子標段）、泵站和控制中心、終端水池等5個子工程項目標段，通過國際招投標，業(yè)主分別將5個子項目交與不同的承包商進行EPC工程承包建設，又將不同標段的工程監(jiān)理交予法國公司BCEOM和瑞士公司STUCKY。

工程計劃輸水量10萬m3/d，由海拔高度305 m的因薩拉赫最終輸至海拔高度1 450 m的塔曼拉撒特城市，輸水管道為雙線并聯(lián)輸送，全程750 km，設有6個泵站分段提升。

該長輸管道沿途全部處于社會依托條件極差的撒哈拉沙漠，無電力供應，工程采用柴油天然氣雙燃料引擎作為動力驅動離心輸水泵。每個泵站設有3臺引擎和3臺離心泵；單臺引擎功率為2.55 MW，引擎采用先進的柴油和天然氣雙燃料式，泵揚程為320 m、流量2 088 m3/h；每個泵站建設2個2 000 m3蓄水池和2個1 250 kW的柴油發(fā)電機。各泵站中蓄水池的水經(jīng)過離心泵提升進入下一級泵站中的蓄水池，該蓄水池為常壓。該長輸管道示意見圖1。

初步設計規(guī)定，為便于管道工程施工和運行后的泄漏檢測和維護，經(jīng)過初步地貌勘察和水力設計，確定了管道線路走向是沿著阿爾及利亞國家1號公路進行敷設，并在沿程布局6個泵站。為便于6個泵站的日常運行操作和檢修，初步設計強調(diào)各個泵站中引擎和輸水泵的數(shù)據(jù)表及主要性能參數(shù)必須保持一致，即要求各泵站的引擎功率一樣、離心泵的揚程必須一樣。

由于在初步設計中地質勘察不詳盡，泵站設置位置的地形和地質條件復雜，泵站內(nèi)的蓄水池布局不合理，水力設計未充分考慮泵站內(nèi)部工藝流程，這給后續(xù)的工程詳細設計造成了很大困難。下文主要分析了初步設計中全程水力設計存在的問題，并針對性地進行了水力方案優(yōu)化，得到了阿爾及利亞業(yè)主和法國監(jiān)理公司的認可和批復，為工程后續(xù)的順利開展創(chuàng)造了條件，避免了需重新布局泵站或更換引擎所造成的工期影響，也避免了可能造成的重大經(jīng)濟損失。

2 水力設計分析和方案優(yōu)化

2.1 泵站間管道的水頭損失

按照合同要求，中標的各標段承包商必須重新校核初步設計中的測量數(shù)據(jù)。經(jīng)業(yè)主確定并統(tǒng)一坐標系和高程 （分別采用WGS84和NGA系統(tǒng)）后，管道標段和泵站標段的承包商分別對所屬的工程范圍進行了校核和補充測量，實測的地形數(shù)據(jù)與原初步設計文件中的地形數(shù)據(jù)有一定偏差，經(jīng)多方討論和研究，業(yè)主監(jiān)理最終批復了實測的地形數(shù)據(jù)。結合復核的地形數(shù)據(jù)和管段流量計劃，管道標段承包商按照合同要求的Colebrook-White公式對各泵站間管道重新計算沿程水力損失，并依據(jù)合同的性能保證要求局部增大了管徑，詳細過程這里不再贅述。經(jīng)過業(yè)主和監(jiān)理批復認可的管道標段提交的各泵站間管道沿程水頭損失值[1]見表1。

表1 各泵站間沿程水頭損失

表1中ST為水源地集水池，RT為終端蓄水池，以ST為起點列出了各泵站所處的里程位置。按照合同，從ST到SP1是單根管道，水靠重力自流到SP1，SP1至SP6和RT全部為雙根管道。ST至SP1流量為4 176 m3/h，沿線水頭損失111 m；SP1至SP2單管流量是2 088 m3/h，沿線水頭損失95.15 m；SP2至SP3單管流量是2 088 m3/h，沿線水頭損失72.5m；SP3至SP4單管流量是2088m3/h，沿線水頭損失115.8 m；SP4至SP5單管流量是2 052 m3/h，沿線水頭損失180.53 m；SP5至SP6單管流量是2 016 m3/h，沿線水頭損失90.24 m；SP6至RT單管流量是1 980 m3/h，沿線水頭損失52.34 m。按照業(yè)主要求，表1中的各泵站間的水頭損失值是其他標段承包商詳細設計的基礎輸入條件，也是全程水力計算的依據(jù)。

2.2 泵站內(nèi)局部水頭損失

根據(jù)泵站的平面布置和工藝流程，計算確定了各泵站從管道標段界面到蓄水池進水管道的水頭損失ΔP1，蓄水池出口管道至離心輸水泵進口水頭損失ΔP2，離心輸水泵管道出口至泵站出口的管道與管道標段界面的水頭損失ΔP3。，水頭損失計算結果見表2，泵站工藝流程示意見圖2。

表2 各泵站內(nèi)局部水頭損失/m

2.3 原初步設計水力校核

按照合同中的初步設計，對蒸汽壓和離心泵的必須汽蝕余量進行了一定安全余量的限定，要求離心輸水泵進口軸線必須低于蓄水池最低液位以下3.5 m，該要求對各個泵站的蓄水池和泵房的布置產(chǎn)生了很大的影響，尤其是SP1和SP2地勢比較平緩。為滿足該技術條款，首先采取蓄水池沿地面布置，輸水泵房下挖方案進行泵站布置，各泵站高程采用合同和初步設計給定的高程進行全程靜態(tài)水力計算，結果見表3。

表3中，各泵站的離心泵揚程全部采用合同規(guī)定的320 m，從表中數(shù)據(jù)可以看出：

（1）水源地ST高程為437.5 m，SP1管道入口高程為301.45 m，管道至SP1蓄水池鵝頸管最高點高差8.23 m，減去ST至SP1的管道沿程水頭損失111 m，剩余壓頭為9.5 m，即水從ST利用重力可自流至SP1。

（2）SP1蓄水池最低液位304.65 m，SP2管道入口高程為518.54 m，管道至SP2蓄水池鵝頸管最高點高差6.92 m，加上SP1至SP2的管道沿程水頭損失95.15 m，從SP1提升至SP2共需321.55 m。即水從SP1提升至SP2時，流量若要達到合同規(guī)定2 088 m3/h，則當泵揚程為320 m時，剩余壓頭為－1.55 m，不能滿足合同技術要求；同理，若要達到合同規(guī)定流量2 088 m3/h，則在輸水泵揚程為320 m條件下，SP2至SP3剩余壓頭為－10.61 m，SP3至SP4剩余壓頭為 －6.14 m，不能滿足合同技術要求。

（3）按照合同規(guī)定，隨著因薩拉赫到塔曼拉撒特長距離輸水管道的沿線對水需求的增加，輸水量從SP4開始逐漸減少，按照表1中的流量，在輸水泵揚程為320 m條件下，SP4至SP5剩余壓頭為22.14 m，SP5至SP6剩余壓頭為35.88 m，SP6至終端蓄水池RT的剩余壓頭為54.9 m，即SP4、SP5和SP6采用320 m的離心輸水泵，可以達到合同技術要求。

2.4 水力計算方案優(yōu)化

從表3可見，要達到合同對各泵站流量的要求，采用合同給定的高程和泵揚程方案是不能全部滿足技術要求的。離心泵的動力來自柴油和天然氣雙燃料引擎，考慮泵房的安全因素，詳細設計水力校核過程中將地勢平緩的SP1和SP2的泵房布置于地面，將蓄水池采取架高方案，同時也可充分利用ST到SP1的剩余壓頭9.5 m。SP1的蓄水池架高4.8 m，SP2的蓄水池架高4.5 m，并滿足蓄水池最低液位高于離心輸水泵進口軸線至少3.5 m。在此基礎上又進行了全程靜態(tài)水力計算，結果見表4。

表4中，各泵站的離心泵揚程全部采用合同規(guī)定的320 m，從表中數(shù)據(jù)可以看出：

（1）水源地ST高程為437.5 m，SP1管道入口高程為301.45 m，管道至SP1蓄水池鵝頸管最高點高差13.03 m，減去ST至SP1的管道沿程水頭損失111 m，剩余壓頭為4.7 m，即水從ST利用重力可自流至SP1。

表3 原合同高程下輸水管道水力計算

表4 改變原合同高程下輸水管道水力計算

（2）采用架高方案后，SP1蓄水池最低液位309.45 m，SP2管道入口高程為518.54 m，管道至SP2蓄水池鵝頸管最高點高差11.43 m，加上SP1至SP2的管道沿程水頭損失95.15 m，水從SP1提升至SP2共需321.26 m。即水從SP1提升至SP2時，若流量要達到合同規(guī)定的2 088 m3/h，則當泵揚程為320 m時，剩余壓頭為-1.26 m，SP2至SP3剩余壓頭為-6.11 m，SP3至SP4剩余壓頭為-6.14 m，仍不能滿足合同技術要求。

（3）SP4、SP5和 SP6的輸水泵揚程采用320 m，可達到表1中合同規(guī)定的流量，而且尚有較多的剩余水壓頭。

從表3和表4的全程靜態(tài)水力計算分析看，主要問題是SP1、SP2和SP3這3個泵站采用合同要求的統(tǒng)一揚程320 m，很難達到合同規(guī)定的流量。為此，與業(yè)主、法國監(jiān)理和芬蘭雙燃料引擎泵供貨商進行了多次技術會議和激烈的討論。期間，業(yè)主監(jiān)理經(jīng)過論證認同了原初步設計對各泵站的輸水泵揚程統(tǒng)一限定為320 m是既不合理也不經(jīng)濟、也不能滿足合同規(guī)定對各站輸量的要求，必須改變初步設計中不合理的技術要求[2]。之后，各方曾提出4個解決方案：

a.繼續(xù)擴大SP1至SP2、SP2至SP3和SP3至SP4站間的管道直徑以減少站間管道水頭損失。

b.繼續(xù)增加SP1和SP2蓄水池高度。

c.修改輸水離心泵的渦輪直徑。

d.提高SP1、SP2和SP3泵站的引擎功率，增加泵轉速以提高離心泵輸水能力。

如何均衡各方利益成為解決問題的關鍵，業(yè)主和監(jiān)理出于投資成本考慮，未能同意擴大SP1至SP2、SP2至SP3和SP3至SP4站間的管道直徑；出于投資成本和安全考慮，也未能同意表4中在SP1蓄水池提高4.8 m和SP2蓄水池提高4.5 m的基礎上繼續(xù)抬高蓄水池的方案；出于投資成本和運行費用考慮，也未能同意承包商重新對SP1、SP2和SP3的引擎進行訂單變更。最終，經(jīng)過多方討論和權衡，業(yè)主和監(jiān)理同意采用改變輸水離心泵的渦輪直徑的方案，這是4個解決方案中工程量變更最小、對項目執(zhí)行影響最小、也是經(jīng)濟可行的解決方案。在雙燃料引擎和離心泵的供貨商略微改變泵葉輪直徑，并通過了各方對引擎和離心泵新一輪的技術評估后，改變?nèi)~輪直徑后的全程靜態(tài)水力計算見表5。

表5 改變泵葉輪直徑的輸水管道水力計算

3 結論

根據(jù)以上水力分析和計算結果，認定合同中原初步設計采用的輸水離心泵一致性的設計方案是不合理的，通過改變蓄水池高程和改變離心泵葉輪直徑，對6個泵站采用不同揚程、不同葉輪離心泵的設計方案，解決了全程靜態(tài)水力計算問題。

通過增加SP1、SP2和SP3的葉輪直徑，減少SP4、SP5和SP6的葉輪直徑以提高泵效，使水泵機組在滿足設計流量時處于高效區(qū)[3]。保持了同樣的引擎、泵殼、齒輪箱，最大程度地滿足了合同規(guī)定的引擎和輸水離心泵的一致性要求，得到了業(yè)主和監(jiān)理的認可和批復，避免了需重新布局泵站或更換引擎可能造成的重大經(jīng)濟損失。

[1]李家星.水力學[M].南京：河海大學出版社，2001.127-128.

[2]GB 50013－2006，室外給水設計規(guī)范[S].

[3]陳乃祥.離心泵[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.68-71.

Hydraulic Analysis and Optimization of Long-distance Water Supply Pipeline in Algeria

CHENG Lu-feng（China Petroleum Engineering and Construction Corp.,Beijing 100120,China）,ZHANG Tao,LUO Shuang-quan,et al.

To resolve the problems existing in the preliminary design of the long-distance potable water supply pipeline from Salah to Tamanrasset in Algeria,static hydraulic analysis for the whole pipeline is carried out.The scheme of altering elevations of reservoirs and pump impellers at partial pump stations optimizes the hydraulic calculation for the whole pipeline and resolves the original problems.It avoids possible economic loss caused by relocating pump stations or altering engines.

long-distance water supply pipeline;hydraulic analysis;design;optimization

TE4

B

1001－2206（2011）03－0047－04

程魯豐 （1963-），男，山東菏澤人，高級工程師，1984年畢業(yè)于中國石油大學，主要從事國外EPC石油工程項目管理等方面工作。

2011-01-20