非洲贊比亞卡夫拉夫塔供水工程優化設計

何文宇

摘要：本文以贊比亞卡夫拉夫塔供水工程為例，闡述了長距離輸水管線中二次增壓泵站選址的要點，著重研究了地形對水泵揚程和系統方案的影響。結合非洲實際情況，對系統進行水錘模擬，綜合比選了防水錘型復合排氣閥，水錘預作用閥與內膽式水錘消除罐的水錘防護效果。隨著“一帶一路”項目的日益增多，本文對于非洲地區類似原水輸水工程具有借鑒意義。

Abstract： This paper took Zambia Kafulafuta Water Supply Project in Africa as an example， expounded the key points of the site selection of the secondary booster pump station in the long-distance water transmission project， and studied the influence of topography on the pump head and system scheme. This paper considered the actual situation in Africa， and conducted the water hammer simulation. Water hammer compound exhaust valve， water hammer preaction valve， water hammer elimination tank were compared. With the increasing number of "The Belt and Road" projects， this paper is of reference significance for similar raw water transmission projects in Africa.

關鍵詞：長距離輸水;泵站選址;水錘模擬;一帶一路

Key words： long-distance water transmission;site selection of pump station;water hammer simulation;The Belt and Road

中圖分類號：TU991.39? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）03-0291-05

0? 引言

贊比亞銅帶省早在1984年就委托英國阿特金斯公司對恩多拉地區的進行水源規劃，并于1986年編制了《恩多拉長期用水研究：卡夫拉夫塔水源可行性研究》，可研成果確定在現狀水源卡夫布河的基礎上，在卡夫拉夫塔河上新建大壩，明確優先選擇卡夫拉夫塔河作為恩多拉區域的主水源，改善區域供水水質，提升供水安全性，形成雙水源供水格局，保護當地居民健康，促進該區域社會經濟的綜合、穩定發展。

近年來，由于銅帶省快速城鎮化和工業化，污水處理廠設施陳舊，現狀取水水源卡夫布河受污染嚴重，取水無法滿足要求。贊比亞地方政府和住建部決定重啟卡夫拉夫塔供水工程。在“一帶一路”倡議的指引下，中國公司主導了本工程的設計咨詢及建設，項目的建設獲得了當地居民及政府的認可與支持。

本工程位于贊比亞銅帶省，近期建設任務為替換Kafubu水廠（8.1×104m3/d），Mikomfwa水廠（2×104m3/d），Makoma水廠（5.7×104m3/d）和Boma水廠（0.125×104m3/d）的原水水源，供水規模總計15.925×104m3/d。由于恩多拉市遠期用水片區及增長率的不確定性，取水泵站、中間加壓泵站及至四個水廠的管線，均按近期規模建造。考慮四座水廠部分自用水量和原水輸水管道漏損水量后，確定本工程設計流量為17.5×104m3/d。

1? 原水系統方案分析

根據業主方提供的原始系統方案，近期原水通過大壩內的分層取水塔取水，通過1根DN1400原水管輸送至取水泵房，串聯增壓后通過一根DN1200原水管敷設至中途增壓泵站，中途分配0.125×104m3/d原水至Boma水廠。中途增壓泵站出水分別敷設DN800，DN600，DN1000原水管至Makoma、Mikomfwa、Kafubu三座水廠。原始系統方案如圖1所示。

原始方案主要存在問題如下：

①沿線高低起伏，取水泵房至增壓泵房8.3km處有中途高點1215m（贊比亞高程，下同）;增壓泵房至Kafubu水廠30km處有中途高點1253m，取水泵站和中途增壓泵站水泵揚程因此增加，高點之后的重力流高差較大，導致存在近水頭浪費的情況;

②中途增壓泵站出廠三根原水管存在3.5km并線敷設，管線多重復路徑，占用管道敷設的土地資源，增加管長和維護管理，管線漏失幾率增大，管線水損增加;

③對于Makoma水廠來說，中途增壓幅度不大，但二次提升增加水頭損耗;

④中途增壓泵站至Kafubu水廠存在路由和管徑優化余地;

⑤原方案未提及水錘防護措施，非洲低區管理水平差，用電可靠性低，高揚程水泵房輸水安全性難以保證，需配備防水錘措施。

針對原始方案存在的問題，本文主要從中途增壓泵站選址，部分管徑優化，水錘防護等方面對系統進行優化設計。

2? 系統優化方案

2.1 中途增壓泵站選址優化

通過對原方案的分析，取水泵站揚程為84m，地面標高1166m，距離取水泵站約8.3km處為局部高點，標高1215m，中途增壓泵站標高1169m，距離取水泵站14.4km。根據水力計算，如敷設一根DN1200原水管，需約84m可越過中途高點，此時原水進入中途增壓泵站尚有約30m富余，需減壓進水，存在水頭浪費，供水安全性也較差。

2.1.1 方案一

方案一充分利用取水泵站為越過中途高點而增加的揚程，將泵站往北移動約5.2km至標高1192m處，對應水力坡降線如圖2中方案一所示。本方案取水泵站揚程由84m提高至90m，避免了原水泵房水泵揚程的浪費，同時減少了泵站后管線的重復路徑，降低了中途增壓泵站的揚程。

2.1.2 方案二

方案一中增壓泵站至Makoma方向二次增壓揚程不高（約48m），由于該地區地形南低北高，中途增壓泵站理論上可繼續北移至高程適當的位置，從而徹底省去中途增壓泵站至Makoma水廠方向的二次提升，在減少同路徑分壓多管供水的同時，中途增壓泵站前延長了大管道統一輸水的距離，輸水損失更小。經現場勘察，往北2.7km處地面高程合適，可省去至Makoma水廠方向的二次增壓。經計算，中途增壓泵站至Makoma水廠的原水管管徑需從DN800放大至DN900，已確保原水進入Makoma無需二次增壓。對應水力坡降線如圖2中方案二所示。

2.1.3 中途泵站選址結論

兩個中途泵站選址方案具有的特點如下：①從能耗角度，兩個方案均避免了因跨越中途高點而造成的取水泵站揚程浪費;②從管理角度，方案二省去了至Makoma水廠的二次增壓，管理更為便捷，運行能耗也有所節省;③從征地角度，符合方案二所需標高的泵站用地權屬為宗教用地，征地成本較高，談判周期較長。方案一用地隸屬于卡夫布水司，實施可行性較高;④從近遠期結合角度，由于遠期供水方向的不確定性，方案二用地較為緊張，遠期擴建難度大于方案一。

權衡以上幾方面利弊后，盡管方案二具有諸多優勢，本工程最終確定方案一為中途增壓泵站選址。

2.2 中途泵站至Kafubu水廠管徑優化

本工程除取水泵站至中途增壓泵站存在中途高點外，中途增壓泵站至Kafubu水廠同樣存在中途高點，高點標高1250m，距離中途增壓泵站約25km。原設計方案采用1跟DN1000原水管至Kafubu水廠，經水力計算，需水泵揚程154m，進廠前仍需消能約21m。考慮到供水安全性以及管道的經濟性，擬在最高點后，將DN1000管徑縮至DN800，原水越過最高點后，重力進入Kafubu水廠，水廠進水前設置持壓閥以保障進水安全。

2.3 系統優化結論

根據以上中途泵站選址的比選以及至Kafubu水廠方向管徑優化，本工程確定的供水系統方案如圖3所示。根據本工程各管段的壓力工況，結合管道首選壓力等級，大部分管徑的管道選用首選等級C25，均能滿足壓力要求，其中DN600首選等級為C30。

3? 水錘防護及優化

水錘通常起因于水泵的快速啟動和開閥停車，閥門的快速開啟和關閉，系統邊界條件的快速變化，用水需求的驟然變化，輸水管線的故障（管道斷裂或封凍），管道的充水和排空以及液控液控閥門或調節閥的動作等。其中，停泵水錘、關閥水錘是最普遍，破壞性最強的一種水力瞬態事件。

贊比亞銅帶省基礎設施水平較低，停電發生概率高，當地管理水平較低，因此考慮進行水錘防護分析。通常利用水錘防護設備延遲并減緩水力瞬變的發生過程，管道水流降壓或者發生負壓時向管內注氣或注水，而升壓時向管道外部排氣或排水。水錘防護設備主要有壓力波動預止閥、空氣閥、單向調壓塔、氣壓罐等。

3.1 防護措施

3.1.1 防水錘型復合排氣閥

防水錘型復合式排氣閥為防止充水速度過快產生水錘，設置有防水錘、降噪組件，具備快開緩閉功能及配件。防水錘排氣閥先快速大量排氣到設定壓力后，再緩慢排放剩余全部微量氣體，從而避免因排氣速度過快，管線壓力迅速上升而導致水錘及撞擊。

3.1.2 水錘預作用閥

水錘預作用閥用以防止水泵開啟和關閉或停電而造成停泵時管道系統中所引起的壓力波動，能夠可靠地保護水泵及輸水管道。管道當中的壓力波動往來迅速，出現時段可能為瞬時現象，普通水力控制閥只能在連續的升壓或持續的降壓工況下打開，在瞬間出現的快速壓升或者壓降工況下，往往無法開啟。電磁聯動式水錘預作用閥通過與壓力傳感器的結合，可以避免一般安全泄壓閥打開不及時的現象，確保系統安全[1]。

除預防壓力波動外，水錘預作用閥還具有防止系統超壓，即安全閥功能。當系統壓力持續升高，并超出高壓控制導閥的設定值，主閥可立即開啟，泄放系統壓力。當系統壓力下降至正常壓力范圍，低于導閥設定值時，主閥自動緩慢關閉。

系統在正常壓力工況下為常關型閥門，在壓力波動下開啟時能保證自動復位功能，并在復位時，自動進行線型關閉，不會由于閥門關閉速度不當而產生二次壓力波動。

3.1.3 內膽式水錘消除罐

內膽式空氣罐利用罐內氣體受到管線上的壓力作用壓縮，形成緩沖氣囊，并利用氣體的可壓縮性對瞬變流當中的壓力波動起到緩沖作用，從而進行水錘防護。

3.2 瞬變流無保護工況

3.2.1 泵站處壓力波動曲線

當取水泵站至中途增壓泵站未設置水錘防護措施時，水泵止回閥速閉，沿程高點設置普通排氣閥，盡管取水泵站揚程為90m，在泵站瞬間失電工況下，中途第一個高點前（約4km），存在明顯的彌合水錘，需要針對性的防護。從圖4可知，事故斷電35s左右，泵后承受的最大正壓力超過150m，事故斷電270s左右，最大正壓力可達到260m，同時壓力波傳回泵站存在一定的負壓工況。

3.2.2 取水泵站至中途泵站管道壓力包絡線

根據圖5的無保護管道壓力包絡圖顯示，水柱彌合現象較為明顯，第一個高點前，管道最高壓力超過260m（1410-1150m），而此段管道為C25等級，水錘時存在爆管風險。

3.3 瞬變流有保護工況

3.3.1 水錘預作用閥+防水錘型空氣閥

根據瞬變流無保護工況的模擬結果，以取水泵站到中途增壓泵站為例，考慮對應的水錘防護措施：①在取水泵站處設置2臺DN300水錘預作用閥;②泵站出口以及第一個高點（4214m）之前設置DN150防水錘型空氣閥，沿線設置復合排氣閥;③由于負壓情況基本不存在，暫不考慮設置調壓塔等設施。

根據模擬結果，泵站失電后，水錘防護措施發揮作用，泵站處最大正壓力由無保護前的260m顯著減弱，斷電后300s內，壓力波動基本維持在50-60m之間。同時管道沿線壓力包絡圖顯示，第一個高點前管道最高壓力由260m降至85m（1245-1160m）。

通過水錘預作用閥+防水錘型空氣閥的組合，取水泵站至中途增壓泵站段的管線得到了有效的保護，使沿線管線在合理、安全的壓力下運行。（圖6、圖7）

3.3.2 內膽式水錘罐+防水錘型空氣閥

方案二考慮采用內膽式水錘罐+防水錘型空氣閥的水錘防護方式：①在取水泵站處設置1臺60m3內膽式空氣罐，替代水錘預作用閥;②第一個高點（4214m）之前設置DN150防水錘型空氣閥，沿線根據工程實際情況，設置復合排氣閥;③方案一中泵站出口處的防水錘型空氣閥可不設置。

根據模擬結果，水錘罐作用較為明顯，最大正壓力顯著減弱，并且波動更為平緩，產生負壓概率更低。管道沿線壓力包絡圖顯示，第一個高點前管道最高壓力為70m（1250-1180m），顯著低于無保護工況，也低于設置水錘預作用閥的工況。（圖8、圖9）

3.3.3 水錘防護結論

通過以上防水錘方式的模擬，兩種方式均能夠對管線系統起到保護，失電時，泵后最大壓力均可由無保護工況時的260m降至50-60m，同時根據管道壓力包絡線，取水泵站至中途泵站管道所承受最大壓力分別降至85m（1245-1160m）和70m（1250-1180m）。然而，根據調研，當地對于水錘罐的維護能力較差，有較多泵房由于水錘罐損壞，目前處于無保護運行狀態。本項目取水泵站壓力不高，兩種方式均能對管線的水錘防護效果相近，而水錘罐投資略高于水錘預作用閥門，且維護不易，占地較大，因此對于取水泵站到中途增壓泵站，本文推薦采用“水錘預作用閥+防水錘型空氣閥”的組合防護方式，沿線設置2臺DN300水錘預作用閥，4臺DN150防水錘型空氣閥（水泵站處亦需要考慮1臺）。通過對其余各管段的水錘模擬，同樣推薦以上的水錘防護方式。

4? 結語

①本項目地處非洲，為長距離輸水項目，項目應充分考慮當地的運行管理水平，水資源及電力供應情況，對供水系統進行技術經濟比選優化。②系統選擇應格外注意中途高點對水泵揚程和泵站選址的影響，權衡取水泵站和中途泵站水泵的揚程、泵站選址高程、管道壓力等級、沿線地形、征地難易和管材費用等多方面的因素。③通過水錘軟件模擬分析，結合銅帶省實際情況及管理水平，綜合確定水錘防護方案。本工程推薦采用“水錘預作用閥+防水錘型空氣閥”的水錘防護方式。

參考文獻：

[1]劉青松.非洲贊比亞長距離超高壓輸水系統優化設計[J].工程建設與設計，2017：104-108.

[2]L.登博.贊比亞盧薩卡城市水工程靈活性設計與管理[J]. 水利水電快報，2017，38（3）：23-27.

[3]代元鋒.遵義灌區水泊渡泵站后邊坡處理設計優化研究[J].價值工程，2019，38（25）：176-179.