鄯善帕爾崗鐵礦長距離加壓輸水管道設計探討

王廷虎

（烏魯木齊市水利勘測設計院（有限責任公司）新疆 烏魯木齊 830049）

1 帕爾崗鐵礦供水工程概況

鄯善縣帕爾崗鐵礦礦區位于鄯善縣城南約152km處，礦區距鄯善縣迪坎爾鄉地下水水源地約180km，通往礦區道路為土路，交通較為不便。道路沿線為丘陵荒漠區，無人居住。

帕爾崗鐵礦供水工程采用單條DN457壁厚8mm螺旋焊鋼管道輸水，起點在迪坎爾鄉附近，至迪坎爾檢查站附近開始進入南山礦區，沿線依次設置帶前池型14級泵站，凈揚程1728 m。全長175km，設計流量0.125m3/s，建成后實現供水量356.4萬m3/a。具體參數見泵站特性表1。

2 長距離加壓輸水管道管材的選擇

長距離加壓輸水工程如何優選泵站級數是選擇輸水管材的關鍵，不同材質的管材其承壓能力是不同的，承壓能力大的管材所選泵站級數少，相反承壓能力小的管材所選泵站級數多。根據國內水泵生產技術能力和管材生產能力，本工程地形落差1378 m，可以選擇7級泵站，每級揚程250 m，這樣管材壓力等級就得選3.0 MPa；可選擇14級泵站，每級揚程130 m，這樣管材壓力等級就得選1.6 MPa。根據泵站級數優選的結果，管材壓力選擇在1.6 MPa以內。

結合本工程特點，當地溫差大，地形起伏大，基礎大部分為巖石。針對常用的輸水管道鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼管選擇說明比較如下：

2.1 鋼管

鋼管是用普通碳素鋼鋼板制作，它的強度高、韌性好，管材及管件易加工。目前市面上生產的地理鋼管均進行了工廠化的防腐處理，按工藝處理不同有：涂塑鋼管、3PE防腐鋼管、FBE防腐鋼管。本工程選用F B E防腐鋼管，管徑DN457，壁厚8mm，能夠承受2.0 MPa以內工作壓力。管材價格742.21元/m。

2.2 球墨鑄鐵管

球墨鑄鐵管被廣泛應用于自來水管道、污水管道、工業用水和農業用水管道工程中。由于球墨鑄鐵管強度高、可塑性好、經久耐用，因而使用廣泛。本工程所比選球墨鑄鐵管選用K8級DN500，水泥砂漿內襯，外噴涂煤瀝青漆，能夠承受2.0 MPa以內工作壓力。管材價格890.62元/米。

2.3 玻璃鋼管

玻璃鋼管全稱為玻璃纖維增強熱固樹脂夾砂管（簡稱FRPM），FRPM在歐美等國家受到廣泛使用，我國近些年生產使用開始增加。玻璃鋼管內壁光滑，設計粗糙系數通常取0.009（曼寧公式），無需防腐，重量輕，接口為柔性接口，抗震性能較好；但施工回填要求高。本工程所比選玻璃鋼管選用K8級DN500，管材價格504.5元/米。

綜上對比，考慮本工程屬于中小口徑輸水管道，工程量較大，但工期緊。從經濟方面看，雖然夾砂玻璃鋼管每米單價均低于其它管材，但其施工要求高，且管材質量層次不齊。考慮鋼管的性價比高，更適應本工程技術特點，再加上本地就生產螺旋焊管，故最終確定管材為鋼管。

3 長距離加壓輸水管道管徑的選擇

長距離加壓輸水管道工程包括管道工程和泵站工程兩部分。如何既減少工程的一次性投資，又能減少泵站后期運行管理費用是選擇輸水管徑的關鍵。本工程采用費用現值最小法確定輸水管管徑。選擇管徑的技術要求為管內流速不得小于0.6m/s，設計選擇DN377、DN426、DN457三種管徑進行分析計算。計算出各個管徑對應管道的投資，各個管徑對應泵站的投資，各個管徑對應年運行費（主要考慮電費），然后按費率和年限進行折現，選擇費用總現值最低的管徑。

表1 泵站特性表

表2 管徑選擇比較表

本工程計算參數如下：供水流量450m3/h，單條管道輸水，輸水線路長為175km，管道糙率系數n=0.012，折現率i=6%，折現年限N=15 a，年運行天數330天。

通過計算，本工程457mm管徑為經濟管徑。通過本案例的計算分析不難看出，隨著所選管徑減小，費用現值增長較快。因此加壓長距離輸水管道宜根據工作壓力選擇較大管徑，減少管路阻力，充分降低年運行費，使費用現值最小。

4 長距離加壓輸水管道工作壓力的選擇

加壓長距離輸水管道工作壓力的選擇要根據加壓泵站級數的對比分析來確定。泵站級數多，管道工作壓力低；泵站級數少，管道工作壓力高。泵站級數多，管理節點多，流量不匹配問題突出，人工管理困難大，但總投資節約，技術上安全可靠；泵站級數少，流量匹配節點少，管理上較容易，但系統壓力大，風險大，一次性投資和后期維護費用均較大。選擇14級泵站技術上安全可靠，經濟上節約。根據管徑選擇分析成果看，采用鋼管和球墨鑄鐵管管材工作壓力一般為1.6 MPa時，管徑變化對價格影響較小。本工程選擇工作壓力控制在1.6 MPa以內，泵站級數為14級，基本做到了技術與經濟的最佳組合。

5 長距離加壓輸水管道防護

5.1 水錘的防護

在長距離加壓輸水管道中，流速急劇變化而引起管道中水流壓力急劇升高或降低現象就是水錘。常見水錘有水泵啟動水錘和突然停泵水錘。水泵啟動水錘增壓不大，只要按正常開泵操作程序都不會造成影響。揚水泵站輸水工程主要防護停電或事故停泵所產生的水錘，此種水錘壓力值大，危害嚴重。為了防止停泵引起的最大水錘升壓最大降壓，以及水泵最大反轉速可能引起的危害，本工程采取措施在泵出口管上設置二階段緩閉止回閥和超壓泄壓閥。

5.2 空氣閥的設置

在供水管道系統若干高處安裝一定數量空氣閥，既可在正常運行時排除管道中的空氣，保證系統內是單向流，不致出現有完全分隔時更為嚴重的水錘，同時還可以在管道內出現負壓時補氣，防止產生負壓水錘。管道初次充水時，管道內留有空氣，需要通過空氣閥排除。因此在輸水管道設計時，必須設置空氣閥，其數量應根據沿線地形情況合理確定布置位置，每隔一定距離布置一個點。在駝峰處必須布設空氣閥，防止管道集氣，以確保管道輸水及安全。本工程在駝峰處布設空氣閥且選擇布置具有防彌合性水錘的空氣閥，同時在平緩段每隔800 m設置1處復合式空氣閥。

6 多級泵站輸水管道工程自動化管理措施

隨著信息自動化行業的快速發展，自動化管理技術越來越廣泛運用于水利工程管理。本工程線路長，泵站多，需要關注的環節多，人工管理難度大。由于泵站級數多，各級之間流量匹配很難人工操作實現，運行常會出現前池溢水浪費水資源的情況。由于泵站多，每處泵站的操作失誤或事故停泵都會對正常供水和系統安全造成影響，這在以往的工程中屢見不鮮，如何解決這些技術問題，本工程提出了相應的技術措施和管理手段。泵站采用變頻控制充分消除流量匹配問題，通過監測泵站系統重要設備的運行狀態，隨時調整設備運行情況，已達到系統正常運行。本工程管道穿越羅布泊無人區，運行管理均采用自動化信息管理技術，鋪設了一條專用通信光纜，在水源地和礦區用水節點設置了中心管理站，隨時監控管道和泵站以及水源地的系統運行情況，實時調整設備運行狀態，保證系統安全運行。本工程泵站級數雖然多，但通過后期自動化信息管理技術的運用基本解決了其存在的問題。

7 結語

在加壓長距離輸水管道設計中，管道部分投資過大，泵站部分后期年運行費用過高，都會影響工程效益，故必須綜合考慮揚水泵站年運行費的降低和管道工程一次性投資的增加，這樣才能達到技術經濟的最優組合。同時，由于泵站級數多，線路長，自動化管理措施必不可少，其將為系統的安全、高效運行提供了技術支持，是帕爾崗鐵礦供水工程后期正常運行的保障，為類似工程自動化管理提供經驗。

[1]劉子慧.長距離輸水工程[M].北京：水利電力出版社,2010.

[2]徐彬士.中國水利百科全書?城鄉供水與排水分冊[M].北京：中國水利水電出版社,2011.

[3]劉竹溪.水泵及水泵站[M].北京∶水利電力出版社,1995.