戴雪峰，張嘉煒，趙 榮

（中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 工程概況

白鹿原水廠南線輸水管道為白鹿原水廠的出水管道之一，設(shè)計輸水能力為12 萬m3/d，管徑為DN800 ～DN1000，采用K9 型球墨鑄鐵管，設(shè)計長度13.5km，包含3 座穩(wěn)壓站和1 座調(diào)壓基站。采用重力流輸水管道系統(tǒng)，管道豎向呈U 形布置，最大運(yùn)行壓力1.45MPa，最大靜水壓力2.0MPa。

2 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)受水區(qū)域的地形分布特點，系統(tǒng)分為3 個壓力分區(qū)，分別為高區(qū)520 ～470m，中區(qū)470 ～430m，低區(qū)430m 以下。水廠清水庫最高水位為615m，管道所敷設(shè)區(qū)域最低點的地面高程405 ～410m。

項目供水分區(qū)較多，無供水量特別突出的主供水區(qū)，供水比較分散。各區(qū)地形高程變化較大，水廠與供水點之間高差大。系統(tǒng)設(shè)計時優(yōu)先利用位置水頭，全程為重力流供水。工程平面布置圖如圖1 所示。

圖1 工程平面布置圖

重力流管道與壓力管道具有不同水力特征，其靜水壓大于動水壓，小流量運(yùn)行時壓力反高于大流量運(yùn)行時壓力[1]。長距離輸水管道系統(tǒng)設(shè)計時多采用減壓水池或減壓閥對管道進(jìn)行分段或者分級，再利用調(diào)壓塔或超壓泄壓閥進(jìn)行突發(fā)高壓保護(hù)[2-4]。

根據(jù)項目特點，通過對消力池、減壓閥供水等方案的分析，適宜采用減壓閥+穩(wěn)壓池配水方式，以降低輸配水管道壓力，減輕輸水干管由于受配水管網(wǎng)用水的波動而產(chǎn)生高壓水錘。可采用分級減壓調(diào)節(jié)和分別減壓調(diào)節(jié)（共用輸水主管）兩種方式。

分級減壓調(diào)節(jié)即水廠出水直接供水至一號穩(wěn)壓站，各廠站串聯(lián)布置，由一號穩(wěn)壓站進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，保證管道系統(tǒng)平穩(wěn)，而后進(jìn)行逐級減壓調(diào)節(jié)。一號、二號和三號穩(wěn)壓站分別向高區(qū)、中區(qū)和低區(qū)供水，如圖2 所示。除水廠至一號穩(wěn)壓站段管道運(yùn)行壓力高外，其余段管道均為常壓管道，該方式便于運(yùn)行管理。

圖2 南線系統(tǒng)水量分配

分別減壓調(diào)節(jié)方案即共用一段輸水主管供水后設(shè)置3 條支線，分別設(shè)置3 座廠站，其供水系統(tǒng)的水量調(diào)配復(fù)雜，供水末端是開放式水池，系統(tǒng)可視為“開放型”重力式供水系統(tǒng)。無論哪座穩(wěn)壓站出流，由于分流口處壓力較高，若不加限制地進(jìn)行開關(guān)閥門，實際出流量將遠(yuǎn)大于設(shè)計流量；同時將引起分流流量劇烈變化，對系統(tǒng)安全運(yùn)行造成很大的隱患。此種系統(tǒng)布置若發(fā)生水錘其特點主要表現(xiàn)在關(guān)閥水錘，即在閥門關(guān)閉時會引起流量的變化，隨之帶來壓力振蕩波動。水錘主要來自閥門局部阻力與管線沿程阻力的變化，其引發(fā)的壓力波動閥前最大；關(guān)閥后正向水錘隨著閥門關(guān)閉而到來，沒有延遲性，表現(xiàn)極快。

經(jīng)上所述，分級減壓調(diào)節(jié)運(yùn)行管理的安全性和系統(tǒng)可靠性上較高，故本項目采用此種方式。

3 減壓閥設(shè)置（基站）

水廠至一號穩(wěn)壓站段管道呈“U 形”覆設(shè)，管道最大運(yùn)行壓力1.45MPa，最大靜水壓力2.0MPa。超高的運(yùn)行壓力對供水安全影響巨大。同時水廠位置高程較一號穩(wěn)壓站高差65m，故需設(shè)置減壓閥以降低系統(tǒng)壓力。減壓閥的設(shè)置位置對系統(tǒng)運(yùn)行影響較大，一般有高點調(diào)節(jié)、低點調(diào)節(jié)和中點調(diào)節(jié)3 種。

高點調(diào)節(jié)，即將減壓設(shè)施設(shè)置在管線系統(tǒng)較高位置，其標(biāo)高高于一號穩(wěn)壓池水位。該方案調(diào)節(jié)位置最靠前，閥門調(diào)節(jié)過程中由于上游管段短，坡度相對小，因此不會造成較大的壓力波動。但由于減壓閥位置高于末端水池，系統(tǒng)靜態(tài)下減壓閥下游會存在空氣段，對管線運(yùn)行存在風(fēng)險，如圖3 所示。

低點調(diào)節(jié)即將減壓設(shè)施設(shè)置在管線系統(tǒng)較低位置。該方案調(diào)節(jié)位置易選取，但是無限制關(guān)閥水錘較大，前后均需要嚴(yán)格保護(hù)；減壓設(shè)施前表現(xiàn)為正常的關(guān)閥水錘，由于其前段坡度較陡，管線較長，關(guān)閥水錘明顯，如圖4 所示。

圖3 高點調(diào)節(jié)減壓閥無限制關(guān)閥時壓力波動情況

圖4 低點調(diào)節(jié)減壓閥前無限制關(guān)閥設(shè)置保護(hù)設(shè)施壓力波動

中點調(diào)節(jié)即將減壓設(shè)施設(shè)置在標(biāo)高低于一號穩(wěn)壓池水位10 ～20m。該方案調(diào)節(jié)位置選擇較為困難，減壓閥前不限制關(guān)閥水錘小，無需防護(hù)，如圖5 所示。

圖5 中點調(diào)節(jié)減壓閥前無限制關(guān)閥壓力波動

綜合比較可以看出，采用中點調(diào)節(jié)方案可使后段最高工作壓力由1.7MPa 降至1.45MPa 左右。減壓閥采用電控型調(diào)流調(diào)壓閥進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，設(shè)置調(diào)壓基站1 座，與空氣閥等其他設(shè)施一起可起到“防水錘關(guān)閉”以及“過流保護(hù)”等功能。

此外，由于管道豎向呈U 形覆設(shè)，且最低處管道運(yùn)行壓力及管道豎向坡度較大（下坡段平均坡度為10%，上坡段平均約5%），在關(guān)注關(guān)閥水錘影響的同時應(yīng)加強(qiáng)對低洼處出現(xiàn)突然的斷流工況進(jìn)行分析[5]。

U 形覆設(shè)的管道低點處發(fā)生爆管，該點上游與“關(guān)閥水錘”的水力特征類似，而下游則類似于“停泵水錘”水力特征。其過程之中同時會出現(xiàn)沿程的負(fù)壓工況，“水柱拉斷”（管道負(fù)壓較大）也會表現(xiàn)得十分明顯，水錘破壞力較大，必須進(jìn)行有效的保護(hù)，如圖6 所示。

圖6 低點爆管時無保護(hù)措施時水壓波動情況

低點爆管時系統(tǒng)最大壓力超出設(shè)計值約1.5 倍，系統(tǒng)設(shè)計時在局部最高點布置防水錘型空氣閥；在低點設(shè)置電驅(qū)式壓力波動預(yù)止閥予以保護(hù)，并配以反饋信號，達(dá)到報警和水錘防護(hù)；沿線設(shè)置了多個壓力監(jiān)測點。同時與中途減壓設(shè)備聯(lián)動控制。

采取上述措施后，通過流量調(diào)節(jié)水力分析，即使日常流量變化較大（非驟變工況）時，系統(tǒng)仍可在平穩(wěn)的工況下正常運(yùn)行，不會出現(xiàn)異常的壓力波動，如圖7 所示。

圖7 低點爆管時有保護(hù)措施時水壓波動情況

4 結(jié)語

針對白鹿原水廠南線輸水管道系統(tǒng)供水特點，采用穩(wěn)壓池和中點減壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)方式可有效降低系統(tǒng)壓力，預(yù)防水錘發(fā)生，減少水錘的破壞，管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行4 年來狀態(tài)良好。在類似管道設(shè)計中應(yīng)重點關(guān)注以下問題：

（1）采用調(diào)流調(diào)壓基站+穩(wěn)壓池配水方式對輸水管道進(jìn)行壓力分級，減壓、穩(wěn)壓效果明顯，可有效降低了管網(wǎng)的壓力，降低工程投資，比以往單獨(dú)設(shè)置減壓閥或穩(wěn)壓池在流量控制上更方便。

（2）通過比較分析3 種調(diào)流調(diào)壓基站設(shè)置位置的水力過渡過程，推薦采用中點調(diào)節(jié)，可有效降低系統(tǒng)壓力，使低點管段盡可能在低壓下運(yùn)行，同時可盡量減少因調(diào)節(jié)所帶來的壓力波動；中點調(diào)節(jié)同時具備“防水錘關(guān)閉”以及“過流保護(hù)”等功能。