大落差重力輸水在供水工程中的應(yīng)用

【摘要】大落差重力流管道輸水技術(shù)具有省電、節(jié)能、投資省、成本低、運(yùn)行管理簡單、方便等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了有壓重力輸水管道設(shè)計(jì)中水力計(jì)算，管線布置，減壓消能，壓力水錘防護(hù)措施，排氣閥的設(shè)置及注意事項(xiàng)，為具備重力供水條件的工程提供參考。

【關(guān)鍵詞】大落差；重力輸水；供水工程；應(yīng)用

油田供水工程為大落差、長距離的重力流管道輸水工程，為大落差、長距離的重力流輸水管道工程積累了經(jīng)驗(yàn)，通過大落差重力輸水在昆北油田供水工程中的應(yīng)用。

一、工程概況

油田位于地面海拔在3000～3200m，水源地地貌為沙丘和草地，海拔高度在3448.89米。工程主要為供該油田生活用水和油田注水。供水管線線路總長度為29.67km，其中水源地距接轉(zhuǎn)站14.82km，采用供水管線管徑為：DN200。管線材質(zhì)定為Q235螺旋焊縫鋼管，管線規(guī)格為D219×6。

二、水壓線計(jì)算方法

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn)，水壓線計(jì)算自控制點(diǎn)起，逐段計(jì)算至起點(diǎn)。控制點(diǎn)的水壓根據(jù)使用要求已定，起點(diǎn)水壓通過計(jì)算方可確定，這就是通常所說的“自下游向上游的水壓計(jì)算方法”。這種計(jì)算方法為輸水管道設(shè)計(jì)規(guī)定了一個(gè)不容易出錯(cuò)、不容易走入誤區(qū)的計(jì)算方法。但是，目前的一些重力流管道設(shè)計(jì)沒有嚴(yán)格執(zhí)行這個(gè)計(jì)算方法。相反的采用一種在水泵壓力供水中工程，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常采用的并經(jīng)工程設(shè)計(jì)檢驗(yàn)為正確的“自上游向下游的計(jì)算方法”。在重力流管道設(shè)計(jì)中，當(dāng)采用自上游向下游計(jì)算方法，調(diào)整管徑使得上游起點(diǎn)和下游終點(diǎn)的水頭損失相等或略小于地形高差，這種計(jì)算結(jié)果與“自下游向上游的水壓計(jì)算方法”得出的結(jié)果是一樣的，不會出現(xiàn)問題。但是，當(dāng)存在大管徑小流量運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，即水頭損失小于地形高差時(shí)，就要看重力輸水管道的流量調(diào)節(jié)方式。重力輸水管道流量調(diào)節(jié)方式分為上游和下游兩種方式。如果采用上游調(diào)節(jié)流量的方式，還采用這種計(jì)算方法，就會出現(xiàn)計(jì)算謬誤。因?yàn)榱髁啃∮谠O(shè)計(jì)流量，管道中就會出現(xiàn)無壓流，卻用壓力管道流的公式計(jì)算，就會得到接近落差的壓力水頭的錯(cuò)誤結(jié)果。如果采用下游調(diào)節(jié)流量的方式，兩種方法得到結(jié)算結(jié)果是一樣的，在管道末端會出現(xiàn)一個(gè)很大的富裕壓力水頭，這時(shí)管道的承壓等級按靜水壓考慮，管材承壓等級高，投資相應(yīng)增大。因此，在重力流輸水管道設(shè)計(jì)，如果出現(xiàn)大管徑小流量的運(yùn)行狀態(tài)，要結(jié)合流量調(diào)節(jié)方式，選用不同的水壓計(jì)算方法，合理的選擇管徑和壓力等級。

三、輸水管道布置

油田供水工程自寬溝水源井集水間取水，水源地沒有設(shè)置調(diào)節(jié)水池，直接由水源井供水，管道的供水流量隨下游油田生產(chǎn)生活用水量的變化而變化。管道沿線地形高差大，管線距離長，管線中途有大流量分支接出，用水點(diǎn)分散。因此管道運(yùn)行工況復(fù)雜，對管道的運(yùn)行安全極為不利。根據(jù)工程用水實(shí)際節(jié)點(diǎn)，維護(hù)管理的難易度，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，輸水管道分成兩段，每段地形落差為水源點(diǎn)與用水點(diǎn)的實(shí)際落差，各分段間設(shè)置減壓閥，以降低后段管線的承壓等級。結(jié)合工程地形條件，相關(guān)規(guī)范要求及已建重力流工程經(jīng)驗(yàn)，在地形隆起處布置吸氣排氣閥8座，地形低洼處設(shè)置泄水閥6座。

四、減壓消能措施

由于寬溝水源至昆北聯(lián)合站地形高差很大，相應(yīng)的輸水管線的落差也很大，根據(jù)水力計(jì)算結(jié)果，寬溝水源轉(zhuǎn)站在設(shè)計(jì)流量條件下管道計(jì)算內(nèi)壓為180m 水柱之多。寬溝水源聯(lián)合站計(jì)算內(nèi)壓為360m 水柱，而且靜水壓力高達(dá)450m 水柱。根據(jù)一般的輸水工程經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)壓超過80m 水柱時(shí)，管道接頭、閥門連接件等處容易出現(xiàn)滲漏、損害等故障，且影響管道整體安全。因此根據(jù)本工程輸水管道系統(tǒng)中存在靜水頭和關(guān)閥、開閥、正常運(yùn)行及流量調(diào)節(jié)等水錘壓力大的問題，需要采取減壓消能的措施，以降低管道正常運(yùn)行水壓和靜壓，提高管路運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)合理性。

1、減壓消能方案。重力供水減壓消能的工程方案有設(shè)置減壓水池和減壓閥兩種方案。減壓池存在占地面積大，建設(shè)投資大、工期長，管理不便，而且容易造成水源的二次污染及曝氧問題，而且油田依托條件差，維護(hù)管理成本高，對下游油田注水除氧工藝不利等缺點(diǎn)，經(jīng)過綜合比對，工程采用了設(shè)置減壓恒壓閥的方案。經(jīng)過水力計(jì)算對比，管道全程設(shè)二級減壓閥即可滿足要求，減壓閥分別設(shè)置在K14+805和K29+305樁號處，減壓閥采用高壓恒壓減壓閥。該減壓消能方案可大幅度降低管道正常運(yùn)行各種不同工況下的動水和靜水壓力，也能滿足接轉(zhuǎn)站和聯(lián)合站的用水水壓要求。減壓措施前后的管道縱斷面和水壓線簡圖見圖。

2、高壓減壓閥的作用、類型構(gòu)造及基本工作原理。高壓減壓閥是一種自動降低管路工作壓力的專門裝置，它可將閥前管路較高的水壓減少至閥后管路所需的水平。出口壓力不受進(jìn)口壓力和流量變化的影響，既可減靜壓，又可減動壓。高壓減壓閥按結(jié)構(gòu)形式可分為膜片式、彈簧薄膜式、活塞式、杠桿式和波紋管式；按閥座數(shù)目可分為單座式和雙座式；按閥瓣的位置不同可分為正作用式和反作用式。高壓減壓閥的工作由閥后壓力進(jìn)行控制。當(dāng)壓力感應(yīng)器檢測到閥門壓力指示升高時(shí)，減壓閥閥門開度減小；當(dāng)檢測到減壓閥后壓力減小，減壓閥閥門開度增大，以滿足控制要求。

結(jié)論：

1）大落差中重力供水較水泵壓力供水具有省電、節(jié)能、成本低、運(yùn)行管理簡單、方便的優(yōu)點(diǎn)。在油田具備地形重力供水的地區(qū)，它是一種值得推廣的理想供水方式。

2）重力壓力輸水管道因上下游流量調(diào)節(jié)方式的不同，管道的流態(tài)會不同，特別是輸水流量較小情況下，應(yīng)根據(jù)不同調(diào)節(jié)方式，采用不同的水力計(jì)算方法。

3）重力有壓輸水管道的減壓閥建議采用減壓恒壓閥，可實(shí)現(xiàn)在最大設(shè)計(jì)流量時(shí)不減壓消能，而僅消減小流量運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的富裕水頭。

在長距離高落差重力流供水工程中， 閥前初始內(nèi)水壓力較大， 如閥門操作不當(dāng)導(dǎo)致閥前壓力過大，會嚴(yán)重威脅輸水系統(tǒng)的安全運(yùn)行。根據(jù)推導(dǎo)了有摩阻管道首相水錘的閥前壓力解析公式及其閥調(diào)節(jié)關(guān)閉規(guī)律； 公式正確反映了閥前壓力與其一段直線關(guān)閉規(guī)律兩者之間的關(guān)系， 且精度較高。

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