長途輸水管線的壓力調節分析

　　工程概況：某市輸水管線起點為水庫輸水隧洞出口，終點為市區新建凈水廠，全長約200公里，采用重力有壓流輸水方式，建設一根DN2200輸水管道。輸水管道主要管材為預應力鋼筒混凝土管（PCCP），在穿越河流、鐵路、公路以及地形較為復雜的地段采用鋼管。輸水管線起點和管線末端凈水廠內分別設置了流量計，在管線沿途和凈水廠入口處共設置了三處流量調節閥，在管線沿途設置了兩座穩壓井。輸水管線沿途穿越較大河流三次，穿越鐵路五次，穿越公路七次，穿越市區道路三次。
　　1、基本參數。輸水管線全長約180公里，其中DN2200PCCP管130公里，DN3200鋼管約500米，DN2200鋼管約50公里。設計流量47.741萬m3/d。全線設有各種閥門共計273個，其中排氣閥221個，減壓閥3個，檢修蝶閥27個，排泥閥22個。全線設置39個測壓點，目前6個投入使用。全線總容水量67.16萬m3，因全線分段水壓試驗后已要求將管內剩余水量排出，因此管線充水量按總容水量考慮。管線排氣由組合式空氣閥完成，活塞式調流調壓閥完成壓力和水量調節工作，由水錘或異常情況產生的高壓由調壓井進行溢流泄出。
　　2、準備工作。主管線上的所有檢修蝶閥和調壓閥全部打開，并保證所有連通管支管上的檢修蝶閥處于關閉狀態；排泥放空閥全部關閉；排氣閥全部打開；壓力監測專人負責記錄。
　　3、管線充水過程。輸水管線的充水過程分為灌水和升壓兩個階段，按照管線的控制閥和調壓閥的設置位置將其分為四段，在水庫出口處、管線起始端、第一號調流調壓閥、第二號調流調壓閥、水廠穩壓井處設置觀察節點，充水過程分別敘述如下：（1）灌水過程。管線的灌水是通過管線起始端的手動蝶閥控制，同時將沿線三臺調流調壓閥和水廠進水閥門打開，讓水流進穩壓井證明管道暢通；接著再將水廠穩壓井前的調流調壓閥逐步減小開度保證末端水流通常和氣體排出，故關閉水廠進水閥使整個引水管線充滿；而后緩慢打開水廠的進水閥，強調兩點：①灌水速度要加以控制。灌水階段的目的是趕走管道內的氣體，驗證管線通水性能，保證滿管流。②開關閥門時要嚴格按照兩階段開關要求，關閥門的前一段可以快一點；后一段關閥一定要緩慢均勻，每關一圈都要停一下。（2）升壓運行。待穩壓井水位達到一定高度后，緩慢將第三號調流調壓閥門關閉幾度，每次關閉按照上述兩階段開啟閥門要領操作，并保持穩壓井水位在一定高度。同時，緩慢打開管線起始端手動蝶閥，此時管道保持一定水流，而管線末端連續向水廠穩壓井供水，由于灌水流量大于出水流量，因此管道逐步由末端向始端逐步充滿，第一階段未排氣的排氣閥此段按照高程順序從低到高依次全部排氣，待最高點排氣閥排氣完成，全部管線將被灌滿，此時管線內部壓力向本段管線最高點自由液面看齊。
　　4、附屬設備的作用。管線上的排氣閥是十分重要的附屬設備，它保證在運行中氣體可順利排出。排氣閥的作用就是在充水及運行過程中將氣體趕出管道，避免管內驟然升壓。設計規范要求排氣閥的位置應設在管線的較高點，考慮到管線低凹處積氣因兩端都是充實水柱而無法排出，所以在管線平直段、坡度較緩段也要安裝排氣閥，一般每隔500—800m設置1個。另外，排氣閥的排氣能力也是影響安全運行的重要因素，有些傳統排氣閥在高壓氣體的沖擊下或管道排空時閥球被卡住而無法正常排氣。因此將原來的老式排氣閥更換成組合式空氣閥高速排氣閥，經現場運行效果十分理想，排氣迅速、排氣量大，有效地杜絕了爆管的發生。此外，在管線上還設置了調壓井，其工作原理是：按照預先設定壓力標準，將調壓井設置在調流調壓閥后，如果管道中心壓力超過設定的壓力，調壓井會立刻泄水，這樣可以有效地泄去壓力、削減能峰，保證管道正常運行；一旦壓力小于設定壓力，泄水自動停止，調壓井的設置緩解了壓力波動對管道的影響。
　　5、水庫運行對管線的影響。水庫水向重力流管線供水運行中，水量、水位的變化都可能影響到管線的安全運行。應均勻地調節進、出水量，不能突然增大或調小閥門的開啟度，否則容易造成水錘或容易造成管道斷流排空導致排氣閥進氣而發生爆管。另外，在春季水庫解凍時應密切注意水位變化，避免因水位變化帶來的管線壓力突變。
　　6、運行對管線的影響。該輸水管線采用重力流供水。在水庫水面與水廠穩壓井水位最高壓差約為140M，這對管線安全運行造成了極大的威脅，容易發生爆管事故。同時，運行期間水量調節次數較多，壓力變化幅度較大對管線的正常運行有很大影響。鑒于此，在管線分別安裝了三臺調流調壓閥。該閥門能有效降低出口端壓力，保證了進口端和出口端壓力恒定，使管內壓力因穩定而不產生大的能量波動，主要起到了保護管線穩定運行的作用，調節水量的同時降低了高壓對管線的危害。
　　7、其他因素對管線的影響。輸水管線上采用的PCCP管在實際運行中抗內、外壓的效果較好，不必做內、外防腐，接口處均采用柔性接口而抗震、抗彎能力強，在地下水位較高和土質不佳處采用了特殊的地基處理方法，這些因素都保證了輸水管線的安全運行。
　　8、通水停止過程。試通水過程結束后通過調整調壓閥的開度將管線末端出水量均勻降低，如需完全停止管道運行則將調壓閥完全關閉，此過程中相應增大2號調壓閥和1號調壓閥的開度，使第一段水位維持在258—278米之間，2號穩壓井水位維持在219—239米之間。為防止冬季管道內結冰對沿線設備造成破壞，同時防止管道內水質污染，可維持管道內最低流量0.4m3/s。
　　9、管線重新啟動過程。管道完全停止運行后重新啟動時，首先調整3號調壓閥在30分鐘內將管線末端出水量增加至0.4m3/s，然后將出水量調整到所需流量，此過程中相應增大2號調壓閥和1號調壓閥的開度，使1號水位維持在258—278米之間，2號穩壓井水位維持在219—239米之間，并檢控沿線測壓點，保證所有測壓點水頭大于3米。
　　（作者單位：哈爾濱供排水集團有限責任公司）