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        長距離輸水系統(tǒng)非滿管運(yùn)行時(shí)的充水對策措施

        2021-10-11 08:21:04
        凈水技術(shù) 2021年10期
        關(guān)鍵詞:輸水管旁通孔板

        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,我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,各行各業(yè)對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),我國正在進(jìn)行各種大型引調(diào)水工程建設(shè),通過引調(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,長距離有壓輸水管道在建成后運(yùn)行管理仍存在一定問題。

        長距離輸水管道在建設(shè)過程中不可避免地形變化的問題,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)行中需對管道進(jìn)行充水,在充水的過程中存在瞬變流、容易發(fā)生水錘。目前,已對這些問題進(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)充水過程瞬變流;穆祥鵬等[2]比較復(fù)雜輸水系統(tǒng)水力過渡的數(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)分離開的兩水柱重新彌合時(shí),如排氣過快將會(huì)形成彌合水錘。另外,在由低地勢向高地勢供水時(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,國內(nèi)外對長距離輸水管道充水過程中的瞬變流、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)行操作過程中,關(guān)于解決這些問題的應(yīng)對措施的研究較少。本文針對管道充水過程中存在的沖刷、水錘等問題提出相應(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輸水工程位于我國西北地區(qū)烏魯木齊市,設(shè)計(jì)輸水流量為40萬m3/d。水廠至中途泵站的長度為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輸水工程位于我國西北地區(qū)烏魯木齊市,設(shè)計(jì)輸水流量為20萬m3/d。水廠至A水池管理站的長度為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,過障礙位置采用鋼管。A水池管理站至B水池管理站的長度為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)間過長。

        圖3 管道充水過程及空氣閥排氣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低向地勢高區(qū)域供水,另一種采用重力由地勢高向地勢低區(qū)域供水。因此,輸水管道在建成后充水方式通??捎兴刂亓Τ渌退贸渌V亓Τ渌畷r(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3 m/s計(jì),則不同主管管徑對應(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輸水工程水廠二級泵房內(nèi)最小單泵流量為2 200 m3/h,揚(yáng)程為158 m,選擇水泵型號繪制水泵特性曲線,水泵運(yùn)行的最大流量為2 747 m3/h,對應(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,水泵通過減壓孔板的限制出水最小流量為1 200 m3/h,對應(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,對應(yīng)揚(yáng)程為180~135 m。

        為保證G輸水工程水廠的二級泵房水泵平穩(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,考慮到單孔過流的不均勻性,本工程按照開孔總面積在減壓孔板上均勻開孔(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載的控制方案,對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,總體由地勢高向地勢低處敷設(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)的減壓孔的開孔面積,減壓孔板可進(jìn)行相應(yīng)的開孔設(shè)計(jì),開孔分布可按圖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,打開旁通閥,待整個(gè)管道系統(tǒng)充滿水后,打開主管閥門關(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)過載運(yùn)行,保護(hù)水泵安全運(yùn)行。

        (3)本工程充水方案為長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。

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