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        長距離輸水管線設(shè)計(jì)與運(yùn)行技術(shù)分析

        2023-11-09 12:01:20楊華
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2023年20期
        關(guān)鍵詞:長距離閥門設(shè)置

        楊華

        (江西省中贛投勘察設(shè)計(jì)有限公司,南昌 330029)

        1 引言

        我國城市供水系統(tǒng)發(fā)展迅速,進(jìn)入新時(shí)代,城市多水源和應(yīng)急備用水源建設(shè)力度加大,城市供水系統(tǒng)呈現(xiàn)多元化的發(fā)展趨勢。但與國外發(fā)達(dá)國家輸水管線工程設(shè)計(jì)相比,我國輸水管線設(shè)計(jì)還存在差距,如規(guī)劃不合理、盲目施工及缺乏長效管理機(jī)制等。因此,需要進(jìn)一步加強(qiáng)對長距離輸水管線的設(shè)計(jì),提高其運(yùn)行能力。

        2 長距離輸水管線設(shè)計(jì)

        2.1 長距離輸水管線供水特點(diǎn)

        長距離輸水管線一般指距離超過10 km 的用管(渠)道輸送原水、清水的管線,由于輸送距離長、流量大,且沿線可能涉及山林河湖、公路、鐵路等復(fù)雜地形及征地問題,工程建設(shè)難度大、周期長,具體比較過程見表1。

        表1 長距離輸水管線管渠形式比選表

        從表1 可以看出,管道輸水較渠道輸水有明顯優(yōu)勢,水流流向速度不易受管道壓力的限制,且地勢環(huán)境的影響程度較低,適用于各種地形。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的加持下,也使管道的質(zhì)量得到進(jìn)一步加強(qiáng),能免受冬季寒冷冰凍的影響,不受地面種植物的干擾,使管線整體走向更合理,技術(shù)性更突出[1]。

        2.2 長距離輸水管線的模擬計(jì)算與分析

        長距離輸水管線由于橫跨地域較大,整個(gè)管線較長,因此,在運(yùn)行管理時(shí)難度大,常因不同原因?qū)е滤Πl(fā)生瞬變,對管線的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。因此,需要通過模擬計(jì)算提前確定輸水管線中的流量以及水頭等數(shù)值,以更直觀的方式使設(shè)計(jì)人員合理確定輸水管線的長度及閥門附件的設(shè)置。針對已經(jīng)運(yùn)行的輸水管線,需充分把握其具體運(yùn)行工況,利用相關(guān)公式建立更精準(zhǔn)的管線計(jì)算模型。例如,水頭損失計(jì)算公式為:

        式中,Hj為圓管的沿程水頭損失,m;λ為沿程阻力系數(shù);L 為輸水管道的長度,m;d 為輸水管道直徑,m;U 為斷面平均流速,m3/s;g 為管線承受的壓力,Pa。在局部阻力損失中,為將損失程度降至最低,需控制阻力系數(shù)。局部阻力損失具體計(jì)算公式為:

        式中,Hm為局部水頭損失,m;S 為局部阻力的系數(shù)。在局部阻力損失中,具體包括兩部分:水頭損失及局部水頭損失,這兩種阻力的計(jì)算需要根據(jù)恒定流動的原理,最終對長距離輸水管線輸水量進(jìn)行具體計(jì)算。

        在模擬計(jì)算過程中,為使模型建立更準(zhǔn)確,要求對不同阻力系數(shù)進(jìn)行確定,包括沿程阻力系數(shù)、局部阻力系數(shù)以及粗糙系數(shù),具體確定數(shù)值見表2。

        表2 不同阻力系數(shù)參數(shù)表

        2.3 長距離輸水管線材料選擇

        在長距離輸水工程中,管材的選擇至關(guān)重要,其既是保證供水系統(tǒng)安全的關(guān)鍵,又在很大程度上決定了工程造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用。常用的輸水管道材料主要有鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力混凝土管、鋼管及預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管等。由于材料之間的組成不同,不同管材的主要特性存在差別,具體差別見表3。

        表3 不同管材性能差異表

        2.4 泵房設(shè)計(jì)要點(diǎn)

        泵房設(shè)計(jì)也是長距離輸水管線設(shè)計(jì)中的重要組成部分,在泵房設(shè)計(jì)過程中,主要包括3 個(gè)方面。

        2.4.1 輔助設(shè)備的選擇

        由于長距離輸水管線在輸送過程中受外部環(huán)境的影響,易出現(xiàn)各種問題,通常在泵房內(nèi)除設(shè)置有水泵、電動機(jī)外,還需設(shè)置輔助設(shè)備。這些輔助設(shè)備在日常管理應(yīng)用中具有重要作用,在停電或關(guān)機(jī)情況下,如果缺乏輔助設(shè)備應(yīng)用,導(dǎo)致泵損害,故需在水泵口處設(shè)置輔助設(shè)備,防止出現(xiàn)水流回倒現(xiàn)象。常用輔助設(shè)備有鋪蓋以及板樁。鋪蓋一般設(shè)置在泵房的出水池中,主要用于延長滲徑,減小滲透坡降及滲透流速等。板樁一般設(shè)置在泵房出水側(cè),主要作用也是用于滲徑。

        2.4.2 選擇泵房及水泵形式

        通常在泵房選擇上共有3 種,分別為干室型、纜車型以及浮船型。目前應(yīng)用較多的是干室型。干室型對水泵的數(shù)量要求較低,室內(nèi)通風(fēng)程度較高,可為水泵運(yùn)行提供良好的環(huán)境。

        2.4.3 合理設(shè)置泵房

        在地基處理過程中,由于地基直接影響建筑物的使用過程,因此,為了防止出現(xiàn)地基不穩(wěn)定,出現(xiàn)裂縫及滲水,要求對泵房進(jìn)行合理設(shè)置,最好設(shè)置于巖石上,防止地基出現(xiàn)松軟[3]。

        3 長距離輸水管線運(yùn)行

        3.1 工程概況

        以某供水工程為例,該工程水產(chǎn)量1 200 m3/h,對周圍地區(qū)承擔(dān)重要供水任務(wù)。該工程輸水管線全長15 km,主要以鋼管、鑄鐵管為主,管線直徑0.5~0.8 m,最大高差為17 m,由于整個(gè)工程建設(shè)于濕潤性黃土地帶,為保證輸水管線的運(yùn)行效果,在閥門設(shè)置上采用排氣管及泄水閥等蝶閥,從而保證管線的安全,防止出現(xiàn)意外,造成損失。

        3.2 運(yùn)行措施

        3.2.1 啟用前運(yùn)行方法

        啟用前的運(yùn)行方法主要包括兩種,一種是輸水管線運(yùn)行,另一種是供水管線運(yùn)行。在輸水管線運(yùn)行中,如果輸水管線運(yùn)行與供水管線存在較大的相似之處,當(dāng)蓄水池水位到達(dá)一定高度后,需緩慢打開出水閥,按照將閥門進(jìn)行開啟,盡量保證清水池的高度。

        該工程供水管線注水完成后,將水資源輸送至清水池,如果清水池水位到達(dá)一定高度,需緩慢打開清水泵,將水閥打開。在向輸水管線充水的過程中一定要控制充水量,盡量不超過管線的流量。在控制出口閘板閥的過程中,要特別注意以下兩個(gè)方面。

        1)在注水過程中,一定要控制注水速度,將管線內(nèi)的氧氣排除,如果注水速度過快,會導(dǎo)致管線內(nèi)部壓強(qiáng)迅速上升,在外部壓強(qiáng)的擠壓作用下,很有可能出現(xiàn)管道爆炸。

        2)在關(guān)閉閥門的過程中,要嚴(yán)格按照相關(guān)流程進(jìn)行關(guān)閉,秉承先慢后快的關(guān)閉原則,當(dāng)管線在輸送水的過程中,由于管線內(nèi)還殘存著一定量的空氣,導(dǎo)致管線內(nèi)的壓強(qiáng)極不穩(wěn)定,需控制關(guān)閉閥門的速度,逐步將管線中的空氣剔除。由于輸水管線總流量的控制集中在蝶閥,在關(guān)閉蝶閥過程中,若關(guān)閉速度過快將導(dǎo)致能量波動不穩(wěn)定,出現(xiàn)爆管的可能性。在關(guān)閉閥門時(shí)盡量控制閥門的角度,關(guān)閉時(shí)間務(wù)必超過1 min,當(dāng)關(guān)閉閥門角度低于30 ℃時(shí),則要控制關(guān)閉速度,盡量緩慢均勻地進(jìn)行關(guān)閉,關(guān)閉時(shí)間需要超過7 min。

        3.2.2 管線附件運(yùn)行

        對于長距離輸水管線而言,管線中的排氣閥可起到重要作用,通過對排氣閥的合理設(shè)置,能將其中的氣體順利排出,防止管線內(nèi)壓強(qiáng)過大。依據(jù)GB 50013—2018《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,管線排氣閥通常應(yīng)設(shè)置在管線中的最高點(diǎn),且在每隔500 m 處設(shè)置1 個(gè)排氣閥,從而保證空氣排出,保證管線的安全運(yùn)行。另外,還可以在管線中安裝泄壓閥以及回流管線,由于管線內(nèi)空氣的存在,導(dǎo)致管線壓力始終不穩(wěn)定,中心壓力易超過設(shè)定的壓力,面對此情況,要求立即打開泄壓閥,將泄水閥泄出的清水進(jìn)行回流,在整個(gè)回流過程中,應(yīng)減少水流所帶來的壓力,從而保證管線運(yùn)行穩(wěn)定。如果管線壓力小于設(shè)計(jì)壓力,則泄水閥自動關(guān)閉,從而在一定程度上減少對管線的影響。

        3.2.3 輸水管網(wǎng)運(yùn)行

        如果用戶突然增大或者減少水閥壓力,使輸水管線空氣擠壓較為明顯,需要采用合理的協(xié)調(diào)方式,加強(qiáng)人員之間的聯(lián)系程度,保證水管網(wǎng)運(yùn)行壓力穩(wěn)定。同時(shí)技術(shù)人員在操作過程中要隨時(shí)注意水管網(wǎng)中的壓力波動情況,盡量避免壓力幅度較大。另外,在輸水管道的材料選擇上,盡量采用水泥管。如果在實(shí)際運(yùn)行的過程中起到良好的效果,則不需要進(jìn)行防腐處理。在接口處采用柔性接口的方式進(jìn)行處理。如果當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)環(huán)境相對惡劣,比如,地質(zhì)松軟等,可以采用特殊的地基處理方式,從而保證水管網(wǎng)的運(yùn)行。

        4 結(jié)語

        綜上所述,本文主要對長距離輸水管線的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及運(yùn)行措施進(jìn)行分析研究,通過相關(guān)計(jì)算公式建立模擬的計(jì)算模型。從實(shí)際效果看,在計(jì)算過程中,要充分考慮多種阻力參數(shù),并進(jìn)行模擬計(jì)算,使管線設(shè)計(jì)更合理。為使管線外壁質(zhì)量達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn),要求加強(qiáng)管材的選擇,保證管線的外壁結(jié)構(gòu)質(zhì)量。在實(shí)際運(yùn)行過程中,控制閥的設(shè)置一定要合理,以加強(qiáng)對輸水管的維護(hù)保養(yǎng),從而保證輸水管線的長期穩(wěn)定運(yùn)行,保證城市居民的用水安全。

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