徐 燕

(新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計管理局，烏魯木齊 830000)

流動力學，主要從事的研究工作有防洪工程、長距離管道輸水工程、電站工程及水庫工程等。E-mail：375524056@qq.com。

1 概 述

近年來，為進一步優(yōu)化配置水資源，促進社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，長距離重力流管道輸水工程項目越來越受到人們的重視，其具有蒸發(fā)滲漏損失小、環(huán)保、水質(zhì)不易污染等特點，但其運行工況要比明渠輸水復雜很多，落差大、管線長、運行工況多，關(guān)閥調(diào)控流量操作等問題都是在實際運行中需要研究注意的問題，如操作不當或設(shè)計管線存在問題都會產(chǎn)生嚴重的水錘爆管問題，造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，在工程設(shè)計和運行管理階段，應(yīng)結(jié)合工程的管線長度及落差，分析是否需要采取調(diào)流、減壓措施，以降低管道的承壓等級，降低造價。本文結(jié)合某長距離輸水工程的設(shè)計特點，對減壓問題進行分析論證。

2 有壓重力輸水管道中消能減壓技術(shù)分析

有壓重力輸水需要消減富余能量的情況主要有3種，分別為①可利用水頭過大，設(shè)計選擇的管徑小時，造成管道中流速超過水錘計算所確定的最大流速；②管道起始端水位變幅較大；③管道處于小流量運行時，輸水管水頭損失小，造成下游的剩余水頭富裕。

如何消減剩余水頭是重力流輸水中的重要問題，與工程投資大小直接相關(guān)。管道是否需要減壓，主要取決于輸水管網(wǎng)的總落差、管道的承壓能力(承壓能力越低，需要設(shè)置的減壓級數(shù)越多)[1]。作為工程設(shè)計者，要綜合考慮，設(shè)置合理的減壓級數(shù)，降低工程的投資，保證管道運行安全。

2.1 減壓閥設(shè)置方式

根據(jù)減壓原理和結(jié)構(gòu)型式的不同，減壓閥可分為可調(diào)式減壓閥、比例式減壓閥及調(diào)流減壓閥。區(qū)別為：①可調(diào)式減壓閥的出口壓力在一定范圍可調(diào)，并能夠保持閥后壓力穩(wěn)定不變；②比例式減壓閥的出口壓力是隨著進口壓力的變化而同時變化，并且閥后壓力不可調(diào)整，只是同閥前壓力保持固定比值；③調(diào)節(jié)閥即可調(diào)節(jié)流量，又可調(diào)節(jié)閥后壓力。工程中常用的調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)型式一般有活塞式調(diào)節(jié)閥、環(huán)噴式調(diào)節(jié)閥、網(wǎng)孔套筒式調(diào)節(jié)閥等。調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)精度高，氣蝕、噪音和振動小，消能范圍廣，能適應(yīng)上游壓力的不斷變化，有理想的流量～開度曲線，便于實現(xiàn)自動控制等優(yōu)點[3]。

根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程》條文說明3.2.5中的解釋，了解到當可利用水頭過大，管中流速超過3 m/s或超過水錘計算所確定的最大流速或低于設(shè)計流量運行，輸水管下游管道因壓力增加較多，不利于安全輸水時，減壓裝置常設(shè)置在輸水管的中下游[2]。當起端(如水庫等)水位變幅較大時，常將減壓裝置設(shè)在輸水管的中上游。

減壓閥布置位置，應(yīng)考慮其所在位置的上下游管道的最大壓力滿足管道運行的工作壓力，并適當?shù)亓粢恍┌踩禂?shù)；保證減壓后，閥后的最小壓力水頭能將水輸送至管道末尾，滿足管道最小水力坡度線的要求；保證閥前后壓力波動較小[4]。

2.2 減壓閥口徑及配套設(shè)施的選擇

(1)減壓閥口徑選擇。根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程》中5.3.3中的要求，重力輸水管道上使用的減壓閥，應(yīng)具有當進口壓力和流量在設(shè)計范圍內(nèi)變化時，出口壓力基本恒定不變的性能；當公稱管徑DN≥600 mm時，還應(yīng)具有保證閥芯不震顫的措施[3]。減壓閥設(shè)計中，其口徑不應(yīng)簡單地與管道的直徑一致，也不應(yīng)選擇過大的閥門直徑，合理的直徑應(yīng)通過計算閥門的流量系數(shù)及閥門開度值分析確定，一般情況下，應(yīng)保證閥門正常工作時最大開度不大于90%，最小開度不低于10%，以減小閥門的氣蝕破壞，并防止閥門開度過小導致閥芯劇烈震顫。

(2)減壓閥配套設(shè)施選擇。減壓閥運行工況復雜，為防止卡堵閥門的現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)在閥前設(shè)置防堵塞的攔污柵；并在減壓閥前后安裝檢修閥，以調(diào)流為主的調(diào)節(jié)閥應(yīng)配套安裝流量計，用流量信號調(diào)節(jié)閥門的開度。并應(yīng)在閥后安裝空氣閥，以減少氣蝕發(fā)生。

2.3 減壓閥后的關(guān)閥水錘分析

《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程》中5.3.3中提到當重力流輸水干管的總作用水頭超過0.4 MPa時，應(yīng)根據(jù)管道水錘防護需要、管道防漏、低流量運行時的消能等因素考慮是否設(shè)置減壓閥[2]。減壓閥在系統(tǒng)中可消減大部分的富余水頭，減小管道出口的壓力。設(shè)置減壓閥后，減壓閥后管道末端的靜水壓力將會遠遠小于設(shè)置減壓閥前的管道末端的靜水壓力。

以可調(diào)式減壓閥進行關(guān)閥水錘分析。末端關(guān)閥速度需要進行水錘分析計算，研究末端閥門的關(guān)閉時間與壓力波傳導至減壓閥處的時間的關(guān)系，確保減壓閥可以正常關(guān)閉，防止管道出現(xiàn)減壓閥失效，造成管道末端出現(xiàn)超靜壓現(xiàn)象，或造成管道爆管。末端閥門在關(guān)閉過程中，隨著閥門開度不斷減小，壓力會不斷上升，向上游傳播，當減壓閥彈簧導閥感應(yīng)到壓力，且壓力高于設(shè)定壓力時，導閥開啟，水流進入主閥隔膜腔，減壓閥開始關(guān)閉，這時閥前壓力會隨之上升，閥后保持壓力不變，促使閥門開度減小，直到末端閥門完全關(guān)閉，減壓閥隨之同步關(guān)閉[4]。

可調(diào)式減壓閥由主閥、導閥、針閥、球閥、微型過濾器和壓力表組成，目前最大閥徑可達到DN1000。

可調(diào)式減壓閥工作特點是：當調(diào)定出口壓力后，能自動保持穩(wěn)定出口壓力。利用導閥自力控制，不需要其他裝置和能源，保養(yǎng)簡便。壓力控制準確度高，出口壓力不受進口壓力及流量變化的影響，減壓可靠，調(diào)整操作方便，調(diào)節(jié)導閥彈簧即可設(shè)定出口壓力。

3 應(yīng)用實例

3.1 工程概況

某供水工程管線總長122.8 km，水源為某凈水廠，利用已經(jīng)建好的庫爾干捷帕37 km的雙管線供水，從庫爾干捷帕末點接本次建設(shè)的供水管道，總供水流量為2.472 m3/s。首尾最大落差179.67 m，沿線地形最大落差188.62 m，采用玻璃鋼管輸水。供水方式為先重力流輸水，后揚水方式，其中重力流輸水段，管線長度為92.7 km，供水流量2.472～0.938 m3/s，管徑1 400～800 mm，末端設(shè)置2個5 000 m3的調(diào)節(jié)水池，調(diào)節(jié)池后采用揚水方案進行輸水，A線方案管線長度13.4 km，供水流量0.444 m3/s，管徑800 mm，B線方案管線長度16.7 km，供水流量0.356 m3/s，管徑800 mm。

本文僅對重力流段進行分析研究。

重力流輸水段，原設(shè)計在樁號0+056.2～5+531段已經(jīng)有1條DN1200的玻璃鋼管輸水管線，設(shè)計流量為1.839 m3/s，本次再增加1條DN800的玻璃鋼管輸水管線，設(shè)計流量0.633 m3/s，在樁號5+531處將兩條管線合并為1條DN1400管線，其中樁號5+531～16+000段，管徑為DN1400；樁號16+000～92+720段，管道直徑DN1000[4]。管道沿線共有17個分水口，總分水流量為1.534 m3/s，其中分水最大的位置在樁號15+997處，分水流量為1.095 m3/s，其余分水口的分水流量為0.005～0.15 m3/s。主干管承壓等級分別是：樁號0+056.2～9+400段為0.6 MPa，樁號9+400～20+000段為1.0 MPa，樁號20+000～53+265段為1.6 MPa，樁號53+265～92+720段為1.0 MPa。

原設(shè)計重力輸水段管道沿線設(shè)置主管檢修閥21處、放空閥72個、進排氣閥66個、超壓泄壓閥4處(樁號分別在27+500、39+557.6、44+488、59+385)、超聲波捆綁式流量計2個(樁號0+056.2、16+010)。

通過對原設(shè)計進行復核，我們得到了正常運行及最大靜壓的壓力水頭線，見圖1。

圖1 重力輸水段正常運行動壓水頭線及最大靜壓壓力水頭線(單位：m)Fig.1 Pressure Head Curve of Gravitational Flow Water Transport

從圖1中可以看出，在靜水壓力下，管道沿線最大落差180.66 m，管道末端的最大靜水壓力為185.32 m，管線中、后段的壓力值均遠遠超過了所選管道的承壓等級，管道沿線需增設(shè)減壓設(shè)施[4]。

原設(shè)計在管道沿線設(shè)置了4處超壓泄壓閥，其工作原理是當管道的壓力超過設(shè)定的工作壓力時，閥門打開向外泄水，泄除管道一部分水量后，使管道壓力恢復正常；其他工況閥門處于關(guān)閉狀態(tài)；超壓泄壓閥不能布置在主管道上，只能旁通布置，在正常運行工況下，管道的壓力不會被消減。

從管道的運行情況看，管道運行初期及后期，小流量運行是經(jīng)常發(fā)生的常見工況，當管道發(fā)生小流量運行時，僅設(shè)超壓泄壓閥，讓管道內(nèi)的水壓不超過管道允許承受的壓力，只能以泄除管道內(nèi)的水來減壓控制管道的壓力，這樣對水資源浪費較大，也使管道沿線經(jīng)常發(fā)生水災(zāi)，從環(huán)保方面也是不允許的。因此，利用超壓泄壓閥減壓為不可行方案。

3.2 減壓方案分析

該工程需要設(shè)置減壓措施，減壓級別的設(shè)置，需做方案比較，并盡量做到與原設(shè)計的管道承壓等級相符。

選擇一級減壓方案與兩級減壓方案進行比選，減壓閥均采用可調(diào)式減壓閥。減壓閥位置確定時，應(yīng)考慮上下游的最大靜水頭，并要考慮下游駝峰處要滿足進排氣閥的壓力要求，盡量的減小管道的承壓等級，使上下游的承壓等級盡量接近，降低管道的投資水平。

(1)一級減壓方案。從圖1可以看出，樁號60+500處為駝峰的最高點，選取減壓閥位置時，要保證減壓后該處的進排氣閥的壓力要求，經(jīng)過分析，將減壓閥布置在樁號27+500處，該位置將上游和下游的最大靜水壓力控制在113.5 m和119.66 m，使上下游承壓等級基本保持一致。由于主管直徑為DN1000，如果設(shè)置減壓閥直徑也取1 000，在小流量運行時，會造成閥門開度過小，引起閥后氣蝕和管道的氣蝕，并出現(xiàn)閥芯劇烈震顫，因此選擇在該處設(shè)置3臺DN600的穩(wěn)壓減壓閥，以減小閥后的氣蝕和閥芯的劇烈震顫。樁號27+500處，管道輸水流量為1.237 m3/s(扣除沿線分水流量)，則單個減壓閥的設(shè)計流量為0.618 5 m3/s，流速為2.187 m/s，閥門工作壓力選1.6 MPa,設(shè)置減壓閥后下游樁號60+500處正常運行工況下，動水壓線距離管軸線最近點的水頭是10.11 m[4],此處高點設(shè)置防水錘空氣閥，保證空管充水時低壓高速排氣，負壓拉空時的高速吸氣，帶壓運行時微量排氣，才能有利于管道的安全。

一級減壓方案壓力線見圖2。

(2)兩級減壓方案。經(jīng)過分析，將減壓閥分別布置在樁號25+500、62+500處，二級減壓方案壓力線見圖3。

由于樁號25+500、62+500處主管直徑均為DN1000，為避免在小流量運行時，會造成閥門開度過小，引起閥后氣蝕和管道的氣蝕，并出現(xiàn)閥芯劇烈震顫，因此在這兩處均設(shè)置2臺DN600的穩(wěn)壓減壓閥，以減小閥后的氣蝕和閥芯的劇烈震顫。樁號25+500處，管道輸水流量為1.257 m3/s(扣除沿線分水流量)，則單個減壓閥的設(shè)計流量為0.628 5 m3/s，流速為2.223 m/s，閥門工作壓力選1.6 MPa；樁號62+500處，管道輸水流量為1.074 m3/s(扣除沿線分水流量)，則單個減壓閥的設(shè)計流量為0.537 m3/s，流速為1.899 m/s，閥門工作壓力選1.0 MPa。在樁號60+500處，動水圧水頭僅有12.12 m，此處高點設(shè)置防水錘空氣閥，保證空管充水時低壓高速排氣，負壓拉空時的高速吸氣，帶壓運行時微量排氣，才能有利于管道的安全。

(3)小結(jié)。從圖2、圖3我可以看出不同減壓方案減壓后的靜壓線和動壓線，先對靜壓線進行分析，見表1。

圖2 重力輸水段一級減壓方案壓力水頭線(單位：m)Fig.2 Pressure Head Curve of the One-Stage Pressure Reduction Plan for Gravitational Flow Water Transport

圖3 重力輸水段兩級減壓方案壓力水頭線(單位：m)Fig.3 Pressure Head Curve of the Two-Stage Pressure Reduction Plan for Gravitational Flow Water Transport

樁號27+500～53+265段61+000～64+000段64+000～92+720段一級減壓方案最大靜水壓水頭/m119．560～100100～121．59原設(shè)計公稱壓力/MPa1．61．01．0管道安全程度管道安全管道過渡段管道不安全樁號0+000～20+00020+000～25+50025+500～53+26553+265～62+50062+500～92+720兩級減壓方案最大靜水壓水頭/m81/98．86120．98/79．2363．24原設(shè)計公稱壓力/MPa1．0/1．61．6/1．01．0管道安全程度安全安全安全

從表1可以看出，一級減壓方案中樁號61+000～92+720段，長31.72 km的管道，需要將公稱壓力調(diào)整為1.6 MPa，現(xiàn)對玻璃鋼管直徑為DN1000的管道進行詢價，運距按1 000 km計算，公稱壓力為1.0 MPa的管道費用1455.3 元/m， 1.6 MPa的管道費用1 706.53 元/m，可計算出管材壓力提高后，費用增加了796.902 萬元。而1臺DN600的穩(wěn)壓減壓閥采購價約40萬元左右(國外價)，兩臺共80萬元左右，因此從費用上比較，采用兩級減壓方案較為經(jīng)濟，且原設(shè)計中管道的公稱壓力滿足設(shè)計要求。

3.3 水錘分析計算

3.3.1 穩(wěn)態(tài)工況減壓閥運行情況

計算采用KYpipe2010水錘分析軟件，結(jié)合工程實際運行情況，一級穩(wěn)壓減壓閥樁號為25+500，二級穩(wěn)壓減壓閥樁號為62+500。正常運行工況下，發(fā)生氣蝕的可能較小，閥門較為安全。本文僅對小流量運行工況和極端小流量工況進行討論，通過對表2中2種運行工況的動水壓力水頭進行分析，發(fā)現(xiàn)2種工況的減壓閥閥前的壓力水頭是變化的，閥后壓力不變，這也就說明了可調(diào)式減壓閥的特點。隨著輸水流量的減小，重力輸水的水頭損失越小，減壓閥前后的壓力比值會越大，當減壓比大于1:3時，一般會出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象。小流量運行工況、極端小流量工況下，減壓閥的特征參數(shù)見表2。從表2可以看出二級減壓閥的減壓比分別是3.5、3.85，均超過了1:3，可能會出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象。

根據(jù)氣蝕計算公式：

(1)

式中：P2為閥后壓力；PV為9.8 m；△P為閥前閥后壓力差。

2種工況下的氣蝕系數(shù)，見表2。圖4反映閥體氣蝕的嚴重程度。從表2、圖4可以看出，在極端小流量運行工況下二級減壓閥處sigma(σ)= 0.52，介于輕微氣蝕與中度氣蝕的臨界區(qū)域，如果長期在此工況下運行，會對閥門和管道造成氣蝕破壞。考慮二級穩(wěn)壓減壓閥的氣蝕問題，在此處并聯(lián)一個小口徑DN400的網(wǎng)孔套筒式調(diào)節(jié)閥(消能防氣蝕效果好)，防止氣蝕并消能減壓，只在小流量和極端小流量工況下運行，可保證閥門開度太小導致的劇烈震顫。

表2 穩(wěn)態(tài)運行不同流量工況減壓閥特征參數(shù)表Tab.2 Specifications and Parameters of Pressure Reduction Valve under Steady State Operation with Different Flow Conditions

圖4 減壓閥后氣蝕程度圖Fig.4 Cavitation Erosion after the Pressure Reduction Valve

3.3.2 瞬態(tài)工況減壓閥運行情況

重力流末端關(guān)閥時間與減壓閥的關(guān)閉時間具有一定的關(guān)系，末端閥門開始關(guān)閉，其壓力波的傳導時間決定減壓閥開始關(guān)閉的時間，閥門的響應(yīng)時間很短，可忽略不計[4]。末端閥門至第二級減壓閥距離為30.22 km，第二級減壓閥至第一級減壓閥距離為67.22 km，管材為玻璃鋼管。當末端閥門開始關(guān)閉時，壓力波傳至二級減壓閥處的時間約84 s，由二級減壓閥再傳導至一級減壓閥處的時間約182 s。這可以說明末端關(guān)閥和減壓閥的關(guān)閉存在一定的時間差。只有研究出末端關(guān)閥時間與傳導至減壓閥處的傳導時間之間的關(guān)系，才能保證管道運行安全。本文僅對大流量運行工況(所有支管全部投入運行)的關(guān)閥時間進行分析，末端閥門為電動蝶閥，分別對末端閥門60 s勻速關(guān)閉和185 s勻速關(guān)閉方案進行比較。圖5為末端閥門60 s勻速關(guān)閉水力參數(shù)包絡(luò)線，圖6為末端閥門185 s勻速關(guān)閉的水力參數(shù)包絡(luò)線。

圖5 末端閥門60 s勻速關(guān)閉水力參數(shù)包絡(luò)線Fig.5 Envelops of Hydraulic Parameters when the Pipeline End Valve Closes within 60 s at a Uniform Speed

圖6 末端閥門185 s勻速關(guān)閉水力參數(shù)包絡(luò)線Fig.6 Envelops of Hydraulic Parameters when the Pipeline End Valve Closes within 185 s at a Uniform Speed

從圖5中可以看出，末端閥門60 s勻速關(guān)閉時，一級、二級減壓閥均未正常關(guān)閉，減壓失效，管道靠中后部位超出設(shè)計的靜壓值較多；圖6可以看出，末端閥門185 s勻速關(guān)閉時，一級、二級減壓閥均正常關(guān)閉，達到了減壓的效果，通過減壓運行管道中只有極個別部位超出管道承壓能力?？刹扇》浪N設(shè)施滿足管道的承壓能力。通過計算，可以得出重力流管道末端關(guān)閥時間應(yīng)大于到減壓閥處的壓力波的傳導時間，確保減壓閥正常關(guān)閉，達到減壓效果。

從圖6可以看出，管道局部位置有超壓和負壓存在，需設(shè)置防水錘設(shè)施，保證管道安全，對此本文不展開討論。

4 結(jié) 語

對地形落差比較大，不同運行工況下，富余水頭高的長距離輸水工程，應(yīng)考慮管徑與水頭的關(guān)系，首先可考慮減小管徑，設(shè)置合理的減壓方案。通過穩(wěn)態(tài)計算，分析減壓閥的減壓比及氣蝕系數(shù)，保證管道不發(fā)生氣蝕破壞；通過末端關(guān)閥水錘計算，分析關(guān)閥時間與減壓閥關(guān)閉之間的關(guān)系，保證末端閥門關(guān)閉的同時，減壓閥也同步關(guān)閉，起到真正意義上的減壓，防止出現(xiàn)減壓閥未關(guān)閉，造成超靜壓或爆管。如減壓后，仍有部分管道出現(xiàn)超壓或負壓問題，可設(shè)置水錘防護設(shè)施合理解決。

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[1] 辛亞娟. 長距離重力流輸水管道中防水錘技術(shù)分析 [J]. 山西建筑，2010,36(12):182-183.

[2] 城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程[Z].CECS193-2005.

[3] 石建杰，龔應(yīng)安，邱象玉.調(diào)節(jié)閥在長距離輸水工程消能調(diào)流中的應(yīng)用 [J]. 水利水電技術(shù)，2015,46(11):101-105.

[4] 李 江,徐 燕,張金承. 長距離重力流輸水工程分級減壓設(shè)計優(yōu)化與水錘防護分析[J].水利水電技術(shù)，2015,46(9):89-94.