自流供水管道運行安全自動化控制系統研究

徐紅梅 袁河江 劉 晨

(山東省滕州市水務局 277500)

1 引言

水是人類賴以生存的最基本的物質基礎。工業生產、農田灌溉、城市生活等綜合利用中首選地表水，水庫向需水區遠距離管道供水工程的運行安全問題，不僅是正常供水的根本保障，而且是設計人員的必須考慮的問題。因此，開展對水庫自流管道安全運行自動化控制系統的研究，十分必要。

2 水庫自流供水管道的運行特點及不安全因素分析

水庫自流供水管道工程有如下四方面的特點:?利用自然高差自流供水，工程建設費和運行費較低;?供水時管道水流流速、流量相對穩定，其動水壓力沿程分布比較均勻(沿程壓力線基本平行于管道中心線，詳見圖2)，有利于管道正常運行;?當用水單位根據生產需要調節流量甚至停止用水時，管內水壓力一方面因靜水壓力聚積而緩慢升高，另一方面因水流慣性引起壓力波動產生水錘，這種高靜水壓力和水錘壓力疊加的工況對管道運行安全非常不利;?一般管線較長，沿線地形、地貌比較復雜，因此管道軸線高程控制、進、排氣裝置安裝位置和數量，是管道空氣進排順暢與否的關鍵。如果管底高程控制精度不高，進、排氣閥安裝位置不準確、地形平緩管段進、排氣閥設置較少等，均會造成管道空氣進排不暢，管內的壓縮空氣不僅會縮小過流斷面，降低管道的輸水能力，還可能引發氣爆水錘，而且在管道材質相對薄弱的部位會產生氣蝕現象，破壞管道。

3 水庫自流供水管道安全運行自動化控制方案

水庫自流供水管道安全運行自動化控制方案包括三方面內容:?利用基礎可靠的機械電子自動化控制技術，根據管道輸水流量和壓力適時隨機地轉換管道動水和靜水時的節制狀態，以期合理利用管道輸水能力;?以延時水錘消除與電控減壓裝置，解決管道壓力波動和凈水壓力傳遞升高問題;?管道中的空氣處理。

3.1 管道靜水自控分段隔離滯蓄

3.1.1 管道靜水自控分段隔離滯蓄原理及意義

根據本文第二部分內容分析，結合圖1、圖2、圖3所示，不難看出:停止用水時，管道內水壓力將會逐漸增高，直至升高到最大值，它的沿程分布為線型，管道出水口處壓力最大(總靜水壓力)，管道進水口處壓力最小(進水口淹沒深度)。正常供水時，管道動水壓力沿程分布比較均勻，且動水壓力值遠小于總靜水壓力值。自流供水管道中下游段管道落差較小、管線較長，一般占總管道長度的70%以上，這就表明:每建一處水庫自流供水管道工程，至少有70%的管道必須以總靜水壓力為耐壓參數選擇管材，而這些管材平時承受的動水壓力卻只有管材耐壓能力的幾分之一甚至十幾分之一，顯然是工程投資的浪費。針對這一客觀現實，本課題提出:按高差基本相等的原則，結合地形地貌情況，利用隔離減壓站，把輸水管道分割成若干段，停止供水時，各隔離減壓站根據設定的壓力指標自動關閘隔離，并在各管段節制電動閥下游側至高點處自動開啟減壓電磁閥，使管道中的靜水在微小壓力下滯蓄其中，各段管道的最高靜水壓力僅相當于本管段高差，從而實現工程對管材管件的抗壓要求可以大幅度降低的目的。該原理對高差較大、管道較長的大型工程效益更加顯著，可大大節約工程投資。

圖1 管道靜水分段隔離滯蓄與全程滯蓄壓力對比分析圖

圖2 自流管道安全運行自控設備布置和縱斷圖

圖3 隔離減壓站設備與工作原理示意圖

3.1.2 管道靜水自控分段隔離滯蓄系統設備及工作原理

a.系統主要設備:節制電動閥、減壓電磁閥、電接點壓力表和電子電路等組成的機電一體化自控系統。

b.控制依據:壓力隔離斷面正常工作壓力+停水增壓值。

c.控制方法:在管道的若干斷面位置，根據管道壓力設定情況實行可逆運行的自動化壓力隔離和減壓。管道沿程各隔離減壓站將依據本管段正常工作壓力+停水增壓值設定本站的最高壓力限值。具體做法是:采用由電動閥、電磁閥、電接點壓力表和電子電路等組成的機電一體化系統實行自動化控制，當本管段壓力達到最高設定壓力時，電接點壓力表送出信號，開始自動關閉設在主管道上的電動閥以減小流量直至完全關閉。當主管道電動閥完全關閉時，其下游側的旁通減壓電磁閥會自動打開(詳見圖3)，以消除主管道節制電動閥后的壓力，確保總靜水壓力分段隔離的效果。在隔離減壓站執行自動關閉主管道電動閥減小流量的過程中，由于流量的減小，管道內水壓力下降到低于最高壓力限值且高于最低壓力限值，處于正常工作壓力區間時，主管道節制電動閥將在適當開啟度暫停，這時減壓電磁閥不會開啟。用水單位恢復正常用水后，管道內水壓力會降低到正常工作壓力區間的最低壓力限值，主管道節制電動閥將會自動開啟到最大開度。管道沿線各隔離減壓站布置情況、主要設備裝置和系統自控原理詳見:圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7。

圖4 延時內壓平衡水錘消除器工作原理示意圖

圖5 壓力自控電動閥開閥電原理圖

圖6 壓力自控電動閥關閥電原理圖

圖7 電磁減壓閥自控電原理圖

3.2 水錘消除與電控減壓

3.2.1 水錘消除與電控減壓設備

在水庫自流供水管道安全運行自動化控制方案中，水錘消除與電控減壓是通過電磁閥配合一種內水壓力延時平衡止水裝置實現的。該裝置有兩項功能:?消除水錘避免管道受到水錘波沖擊;?該裝置可根據主管道上的節制電動閥啟、閉狀態和電接點壓力表提供的電信號由電磁閥執行管道減壓或恢復管道正常輸水。原理詳見圖4。

3.2.2 延時內壓平衡水錘消除器水力學依據

如圖4所示，在有壓輸水管道中，垂直管道軸線的斷面上的任意兩點a、b的能量總和均符合水能平衡方程的要求，列水能平衡方程如下:

Z——水的位能，P——水的壓力勢能，V——水的流速(水動能參數)。

3.2.3 理論與實際吻合分析

a.水錘消除器內部任意水質點可以近似地認為在同一斷面內。

b.水錘消除器內部a點與b點的位能可以近似地認為相同。

c.根據實際運行的近似理解，(A)式可以簡化為(B)式。

3.2.4 水能平衡問題分析

3.2.4.1 水錘消除器靜態止水問題

首先假設水錘消除器靜態時漏水(如圖4所示)，則有:Va＞0，Vb=0 ，由(B)式可得:Pa=Pb－V2a/2g，即Pa＜Pb。以上假設與推理表明:水錘消除器排泄口處只要漏水，平衡倉內b點水壓力就大于排泄口處a點水壓力，橡膠膜就會向排泄口邊沿不停地運動直至與排泄口接觸，即到達Va=Vb=0，Pa=Pb的止水狀態。其次因為安全減壓排泄口橫截面積SPX小于平衡倉底的面積 SCD，又因為 Pa=Pb，SPX× Pa＜ SCD× Pb，即，安全減壓排泄口橫截面上的總水壓力小于平衡倉底上的總水壓力。

以上分析得出:水錘消除器靜態時不會漏水。

3.2.4.2 水錘消除器水錘消除保障

管道輸水過程中(如圖4所示)，有正水錘產生時，浪壓力通過減壓通道以相同的壓強PL同時作用在排泄口和連通管口上 ，因為排泄口面積SPX遠大于連通管口面積 SLT，所以:PL× SPX?PL× SLT——(C)，由連通器原理得:平衡倉內b點處橡膠膜受到的浪壓力總和等于連通管口受到的浪壓力總和PL×SLT，(C)式表明:橡膠膜兩面在一對不平衡力的作用下向著力較小(平衡倉內b點)的方向運動并脫離排泄口邊沿，從而實現排泄水錘的功能。水錘波過后管道壓力平穩時，依據水錘消除器靜態止水分析，水錘消除器將到達新的靜態止水。

3.2.4.3 電控減壓功能

電控減壓是通過電磁減壓閥(6)實現的，當控制系統需要減壓時，電磁減壓閥(6)將根據系統提供的信號自動開啟，這時水錘消除器靜態止水所述的水錘消除器靜態止水平衡(Va=Vb=0，Pa=Pb)被破壞，平衡倉內b點與大氣連通，而排泄口a點處卻仍然是管道內正常水壓力，則有:Pa?Pb，那么橡膠膜就會向著壓力較小(平衡倉內b點)的方向運動并脫離排泄口邊沿，從而實現電控減壓功能。

3.3 管道氣流的處理

在確保駝峰頂端進、排氣閥良好的前提下，再在坡度較緩或水平管段上增設一定數量的自動進、排氣閥;安裝時應注意:①排氣閥安裝口盡量采用等徑三通與主管道連接，然后再使用漸縮變徑管與排氣閥連接，確保水氣充分分離;②盡量使用雙口自動進、排氣閥，確保管道氣流進排暢通。

4 實際應用情況

滕州市馬河水庫向新源電廠供水管道工程于2002年底建成，自2003年1月至9月試運行期間發現:電廠夜間用水量較小(甚至停水)，這樣靜水壓力就會不斷增大，致使中下游管道薄弱段經常發生暴管現象，一度造成該管道不能正常運行。

2003年10月，根據供水管道工程需要，在新源供水管道上安裝了本課題研究的自動化控制減壓系統。該裝置能夠在管道壓力升高到設定值時，自動開閘減壓，并發出報警聲，管道壓力恢復正常后，減壓閘自動關閉，報警聲停止。日常管理人員反映:安裝自動化控制減壓系統后，幾乎每天夜間都能聽到減壓報警聲，但從未發生過暴管現象，新源供水管道運行安全非常理想。

5 結語

綜上所述，本課題研究的最終目標為:?利用機電一體化自控系統不間斷地對供水管道實行實時監控，不失時機地自動調節各管段壓力和流量，使長距離、高水頭、大流量的大型自流供水管道工程，在用水企業調節用水量或停止用水的過程中，管道水流由動到靜自動平滑過渡實現軟著陸。各管段壓力最終達到:最低壓力基本為零、最高壓力等于本管段自身高差。自流供水管道工程距離再長、水頭再高，它的管材內水壓力要求都可以參考相鄰兩隔離減壓站間的高差確定，從而實現管材、管件低壓化，最大限度地節約工程投資;?實現供水工程運行方便。主要表現為:用水企業調節用水量或停止用水時，管道全線隔離減壓站都會做出相應調節，使管道全線壓力分布較為均勻，有利于延長工程壽命;當管道需要停水維修或檢修時，只需排空被維修或檢修管段，不需要全線排空管道，這樣省時、省水，非常方便;當管道中下游發生意外破裂時，只有本管段的水溢出，不會給附近的農田和村莊造成較大損失。

1 董安建.我國調水工程設計實踐與創新［J］.中國水利，2010(20).

2 關志誠，陳雷.引調水工程建設與應用技術［J］.中國水利，2010(20).