唐 迪，刁美玲，王婷婷

(1.大連市供水有限公司,遼寧 大連 116000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150090)

超高落差長輸供水工程減壓消能方案優(yōu)選實(shí)例研究

唐 迪1，刁美玲2，王婷婷2

(1.大連市供水有限公司,遼寧 大連 116000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150090)

長距離輸水管線一般距離長、落差大，如何能將沿線多余水頭安全、穩(wěn)定地消減掉，是供水安全的關(guān)鍵,也是這類工程容易遇到的難點(diǎn)，以某供水工程長管線水錘防護(hù)工程為例，針對超高落差供水工程中的減壓消能問題進(jìn)行分析研究，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度分析應(yīng)采用調(diào)流消能閥和減壓閥并聯(lián)減壓消能方案，可以有效降低管道壓力，滿足水錘防護(hù)要求。

長距離輸水；超高落差；分級減壓；減壓閥；調(diào)流消能閥；水錘

在一般情況下，我國長距離輸水管線普遍距離長、起伏大，重力流長輸管道通常都面臨減壓消能的問題，如何能將沿線富裕水頭安全、穩(wěn)定地消減掉，是保證管道運(yùn)行安全的關(guān)鍵[1]。重力流不可控，重力流一旦發(fā)生水錘，水流無法立即失去動能，易造成極大的危害，嚴(yán)重威脅供水的安全性。重力流正壓防護(hù)措施少，一般在管網(wǎng)中途設(shè)置調(diào)壓井、調(diào)壓塔等，在末端設(shè)置調(diào)壓閥；問題在于如何組合水錘防護(hù)設(shè)備達(dá)到水錘防護(hù)的要求，本文根據(jù)工程實(shí)例進(jìn)行說明。

1 水錘防護(hù)設(shè)備

結(jié)合我國某重力流超高落差供水工程實(shí)例，建立了重力流長距離輸水管道水力模型，通過對不同減壓方案在不同工況下進(jìn)行模擬，優(yōu)選出最佳的減壓消能方案，達(dá)到水錘防護(hù)要求，保證供水的安全性。超高落差長距離輸水管線水錘防護(hù)設(shè)備一般有減壓閥、調(diào)流消能閥、空氣閥等[1]。

1.1 減壓閥

1.1.1 減壓恒壓閥

減壓恒壓閥的工作原理是當(dāng)閥后壓力超過預(yù)先整定的值時(shí)，在外力或水壓力作用下，閥門過流面積減小，局部損失增大，閥后壓力慢慢降低到設(shè)定值；當(dāng)閥后壓力低于整定值時(shí)，閥門過流面積增大，局部損失減小，閥后壓力逐漸升高到設(shè)定值。其邊界條件如下所示[2]。

H1=Z+ΔH

Q=(H1-CM)/B

(1)

H2=CP-BQ

1.1.2 定比式減壓閥

定比減壓原理是利用閥體中浮動活塞的水壓比控制，進(jìn)出口端減壓比與進(jìn)出口側(cè)活塞面積比成反比。這種減壓閥工作平穩(wěn)、無振動；閥體內(nèi)無彈簧，因此無彈簧銹蝕、金屬疲勞失效之慮；密封性能良好不滲漏，因而既減動壓又減靜壓，并且在減壓的同時(shí)不影響水流量。

1.2 調(diào)流消能閥

活塞式調(diào)流原理即流量調(diào)節(jié)原理是主要通過閥門驅(qū)動裝置，通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)，帶動閥內(nèi)一個類似于活塞狀的圓柱體，在閥腔內(nèi)作軸向運(yùn)動，從而改變閥體出口的過流面積，來實(shí)現(xiàn)流量和壓力的調(diào)節(jié)。流量調(diào)節(jié)的特性滿足公式如下[3]:

(2)

式中：Δp為閥門前后壓差，Pa；ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；KW為通流能力，m3/h。

2 減壓消能方案優(yōu)選

2.1 工程概況

本工程最大引水規(guī)模為110.0萬m3/d，對應(yīng)設(shè)計(jì)流量為12.74 m3/s，最小引水規(guī)模為8.64萬m3/d，對應(yīng)設(shè)計(jì)流量為1.0 m3/s。供水管道全長43.2 km，管道落差為656.0 m，四級減壓，每級供水管道都由PCCP管和K9球墨鑄鐵管組成。

2.2 減壓消能方案

本工程管道全長43.2 km，落差656.0 m，分級減壓后各級管道末端靜壓均在150.0 m以上，在各級管線末端必須考慮減壓消能措施。方案一是設(shè)計(jì)調(diào)流消能閥和減壓閥并聯(lián)，方案二是多組減壓閥并聯(lián)。

2.2.1 方案一(調(diào)流消能閥+減壓閥)

該工程全年中有近一半時(shí)間流量均在2.0 m3/s以下(1月、2月、3月、11月、12月)，流量偏低；全年中僅有3個月時(shí)間管道滿負(fù)荷運(yùn)行(6月、7月、8月)，其余大部分時(shí)間管道流量都低于平均值。綜上所述：本工程低流量運(yùn)行時(shí)間較長(約為半年)，設(shè)置減壓消能方案時(shí)需重點(diǎn)考慮小流量運(yùn)行工況。根據(jù)上述流量及歷時(shí)分析，建議每級穩(wěn)壓池前采用調(diào)流消能閥(大口徑)和減壓閥(小口徑)并聯(lián)減壓消能。根據(jù)備用數(shù)量不同，分為兩種方案，即方案A和方案B。

方案A：設(shè)置2個大口徑調(diào)流消能閥和6個小口徑減壓閥，即2組調(diào)流消能閥和2組減壓閥組。其中調(diào)流消能閥減壓比應(yīng)達(dá)到35∶1，減壓閥串聯(lián)后綜合減壓比達(dá)到35∶1,減壓閥組形式為先串聯(lián)2個定比式減壓閥，后串聯(lián)1個恒壓式減壓閥。由于恒壓式減壓閥閥后直通大氣排放，需選用抗汽蝕閥門。調(diào)流消能閥口徑可選擇DN1000或DN900；減壓閥口徑可選擇DN500。具體口徑選取應(yīng)由具體閥門廠家根據(jù)具體流量和減壓比要求進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，且調(diào)流消能閥過流能力達(dá)到設(shè)計(jì)值12.74 m3/s。該方案調(diào)流消能閥組一用一備，減壓閥組一用一備。

方案B：設(shè)置3個大口徑調(diào)流消能閥和6個小口徑減壓閥，即3組調(diào)流消能閥和2組減壓閥組。其中調(diào)流消能閥減壓比應(yīng)達(dá)到35∶1，減壓閥串聯(lián)后綜合減壓比達(dá)到35∶1，減壓閥組形式為先串聯(lián)2個定比式減壓閥，后串聯(lián)1個恒壓式減壓閥。由于恒壓式減壓閥閥后直通大氣排放，需選用抗汽蝕閥門。調(diào)流消能閥口徑可選擇DN1000或DN900；減壓閥口徑可選擇DN500。具體口徑選取應(yīng)由具體閥門廠家根據(jù)具體流量和減壓比要求進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，且調(diào)流消能閥過流能力達(dá)到12.74 m3/s。該方案調(diào)流消能閥組兩用一備，減壓閥組一用一備。

建議當(dāng)大流量運(yùn)行時(shí)，可運(yùn)行調(diào)流消能閥組；當(dāng)?shù)土髁繒r(shí)可運(yùn)行減壓閥組。

2.2.2 方案二(多組減壓閥組并聯(lián))

各級管線在各種工況下減壓比均較大，僅設(shè)置1個普通減壓閥難以實(shí)現(xiàn)高減壓比，因此，為保證各級管線在各工況下供水安全，建議在各級管線穩(wěn)壓池前串聯(lián)設(shè)置高減壓比減壓閥，串聯(lián)時(shí)先串聯(lián)多個定比式減壓閥，最后串聯(lián)1個恒壓式減壓閥；并且進(jìn)行多組減壓閥組(串聯(lián)閥組)并聯(lián)。具體減壓比及減壓閥數(shù)量滿足各工況下減壓比即可。

2.2.3 水錘防護(hù)計(jì)算結(jié)果

方案一(調(diào)流消能閥+減壓閥)和方案二(多組減壓閥組并聯(lián))，對各級管線進(jìn)行多工況關(guān)閥水錘防護(hù)模擬，分析確定管線末端檢修閥關(guān)閥時(shí)間為120 s。限于篇幅本文給出在工況1(最大流量)關(guān)閥水錘防護(hù)模擬1—4級管線計(jì)算結(jié)果，計(jì)算結(jié)果如圖1、圖2、圖3、圖4，可知滿足水錘防護(hù)要求。

2.3 方案優(yōu)選

方案一(調(diào)流消能閥和減壓閥并聯(lián))可在大流量時(shí)運(yùn)行調(diào)流消能閥組，在小流量時(shí)運(yùn)行減壓閥組，與方案二(多組減壓閥組并聯(lián))相比較經(jīng)濟(jì)，且減壓消能效果良好，能滿足減壓比要求和水錘防護(hù)要求，保證供水安全性。方案二(多組減壓閥組并聯(lián))減壓消能效果也不錯，能滿足減壓比要求，保證供水安全性，但是多組減壓閥組并聯(lián)方案由于減壓閥數(shù)量較多、控制復(fù)雜、管理不方便，因此不建議采用。優(yōu)選確定了采用調(diào)流消能閥和減壓閥方案，至于調(diào)流消能閥和減壓閥方案中的A、B方案的選定，是要根據(jù)閥門廠家具體選型后再由技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較綜合確定。

圖1 一級管線末端關(guān)閥水錘壓力包絡(luò)線

圖2 二級管線末端關(guān)閥水錘壓力包絡(luò)線

圖3 三級管線末端關(guān)閥水錘壓力包絡(luò)線

圖4 四級管線末端關(guān)閥水錘壓力包絡(luò)線

3 結(jié) 論

對于超高落差長距離輸水供水工程需進(jìn)行多級減壓消能，在各級管線末端考慮設(shè)置減壓消能措施，安全穩(wěn)定地將沿線多余水頭消減掉，保證供水安全可靠。根據(jù)工程實(shí)際情況選用兩個方案并進(jìn)行比較分析，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度分析得出采用方案一(調(diào)流消能閥和減壓閥并聯(lián))減壓消能方案，可以有效降低管道壓力，節(jié)省造價(jià)，并且保證管道的安全運(yùn)行，可供類似工程參考。

[1] 韓建軍，張?zhí)焯?，陳立志，?大落差重力輸水工程關(guān)閥控制對水錘防護(hù)效果[J].水利天地，2015(2):4-6.

[2] 何剛，刁美玲，高金良，等.超高落差重力長輸管道多級減壓方案優(yōu)選研究[J].供水技術(shù),2012，6(6):51-53.

[3] 陳陽，楊旭，張士杰.消能調(diào)流閥在引黃入晉工程北干線大梁水庫放水工程中的應(yīng)用[J].水利水電工程設(shè)計(jì),2014,33(1):53-55.

Study on energy dissipation scheme optimization of ultrahigh drop and long-distance water supply project

TANG Di1,DIAO Meiling2, WANG Tingting2

(1.DaLianWaterSupplylimitedcompany,Dalian116000,China；2.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering，HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China)

Long-distance water pipelines are universal long distance and great drop. So the key point and difficulty of water supply safety is how to cut down the water head along project line safely. Take long pipeline water hammer prevention project of water supply project for example, the problem of energy dissipation in ultrahigh drop water supply project is analyzed. Analyzing from the technology and economy aspects, parallel energy dissipation scheme with flow regulating dissipation valve and reducing valve should be adopted, which can effectively reduce pipeline pressure and meet water hammer protection requirements.

long-distance water transfer; ultrahigh drop; classification reduction; reducing valve; flow regulating dissipation valve;water hammer

中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部 國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2014ZX07405002)；廣東省科技廳 廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目(2011A090200040)

唐 迪(1981-)， 男， 工程師，從事水利工程管理工作，E-mail:qit0316@126.com

TU991.39

A

2096-0506(2015)06-0011-03