白鹿原水廠南線高壓輸水管道設計探討

戴雪峰，張嘉煒，趙 榮

（中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 工程概況

白鹿原水廠南線輸水管道為白鹿原水廠的出水管道之一，設計輸水能力為12 萬m3/d，管徑為DN800 ～DN1000，采用K9 型球墨鑄鐵管，設計長度13.5km，包含3 座穩壓站和1 座調壓基站。采用重力流輸水管道系統，管道豎向呈U 形布置，最大運行壓力1.45MPa，最大靜水壓力2.0MPa。

2 系統設計

根據受水區域的地形分布特點，系統分為3 個壓力分區，分別為高區520 ～470m，中區470 ～430m，低區430m 以下。水廠清水庫最高水位為615m，管道所敷設區域最低點的地面高程405 ～410m。

項目供水分區較多，無供水量特別突出的主供水區，供水比較分散。各區地形高程變化較大，水廠與供水點之間高差大。系統設計時優先利用位置水頭，全程為重力流供水。工程平面布置圖如圖1 所示。

圖1 工程平面布置圖

重力流管道與壓力管道具有不同水力特征，其靜水壓大于動水壓，小流量運行時壓力反高于大流量運行時壓力[1]。長距離輸水管道系統設計時多采用減壓水池或減壓閥對管道進行分段或者分級，再利用調壓塔或超壓泄壓閥進行突發高壓保護[2-4]。

根據項目特點，通過對消力池、減壓閥供水等方案的分析，適宜采用減壓閥+穩壓池配水方式，以降低輸配水管道壓力，減輕輸水干管由于受配水管網用水的波動而產生高壓水錘。可采用分級減壓調節和分別減壓調節（共用輸水主管）兩種方式。

分級減壓調節即水廠出水直接供水至一號穩壓站，各廠站串聯布置，由一號穩壓站進行穩壓調節，保證管道系統平穩，而后進行逐級減壓調節。一號、二號和三號穩壓站分別向高區、中區和低區供水，如圖2 所示。除水廠至一號穩壓站段管道運行壓力高外，其余段管道均為常壓管道，該方式便于運行管理。

圖2 南線系統水量分配

分別減壓調節方案即共用一段輸水主管供水后設置3 條支線，分別設置3 座廠站，其供水系統的水量調配復雜，供水末端是開放式水池，系統可視為“開放型”重力式供水系統。無論哪座穩壓站出流，由于分流口處壓力較高，若不加限制地進行開關閥門，實際出流量將遠大于設計流量；同時將引起分流流量劇烈變化，對系統安全運行造成很大的隱患。此種系統布置若發生水錘其特點主要表現在關閥水錘，即在閥門關閉時會引起流量的變化，隨之帶來壓力振蕩波動。水錘主要來自閥門局部阻力與管線沿程阻力的變化，其引發的壓力波動閥前最大；關閥后正向水錘隨著閥門關閉而到來，沒有延遲性，表現極快。

經上所述，分級減壓調節運行管理的安全性和系統可靠性上較高，故本項目采用此種方式。

3 減壓閥設置（基站）

水廠至一號穩壓站段管道呈“U 形”覆設，管道最大運行壓力1.45MPa，最大靜水壓力2.0MPa。超高的運行壓力對供水安全影響巨大。同時水廠位置高程較一號穩壓站高差65m，故需設置減壓閥以降低系統壓力。減壓閥的設置位置對系統運行影響較大，一般有高點調節、低點調節和中點調節3 種。

高點調節，即將減壓設施設置在管線系統較高位置，其標高高于一號穩壓池水位。該方案調節位置最靠前，閥門調節過程中由于上游管段短，坡度相對小，因此不會造成較大的壓力波動。但由于減壓閥位置高于末端水池，系統靜態下減壓閥下游會存在空氣段，對管線運行存在風險，如圖3 所示。

低點調節即將減壓設施設置在管線系統較低位置。該方案調節位置易選取，但是無限制關閥水錘較大，前后均需要嚴格保護；減壓設施前表現為正常的關閥水錘，由于其前段坡度較陡，管線較長，關閥水錘明顯，如圖4 所示。

圖3 高點調節減壓閥無限制關閥時壓力波動情況

圖4 低點調節減壓閥前無限制關閥設置保護設施壓力波動

中點調節即將減壓設施設置在標高低于一號穩壓池水位10 ～20m。該方案調節位置選擇較為困難，減壓閥前不限制關閥水錘小，無需防護，如圖5 所示。

圖5 中點調節減壓閥前無限制關閥壓力波動

綜合比較可以看出，采用中點調節方案可使后段最高工作壓力由1.7MPa 降至1.45MPa 左右。減壓閥采用電控型調流調壓閥進行壓力調節，設置調壓基站1 座，與空氣閥等其他設施一起可起到“防水錘關閉”以及“過流保護”等功能。

此外，由于管道豎向呈U 形覆設，且最低處管道運行壓力及管道豎向坡度較大（下坡段平均坡度為10%，上坡段平均約5%），在關注關閥水錘影響的同時應加強對低洼處出現突然的斷流工況進行分析[5]。

U 形覆設的管道低點處發生爆管，該點上游與“關閥水錘”的水力特征類似，而下游則類似于“停泵水錘”水力特征。其過程之中同時會出現沿程的負壓工況，“水柱拉斷”（管道負壓較大）也會表現得十分明顯，水錘破壞力較大，必須進行有效的保護，如圖6 所示。

圖6 低點爆管時無保護措施時水壓波動情況

低點爆管時系統最大壓力超出設計值約1.5 倍，系統設計時在局部最高點布置防水錘型空氣閥；在低點設置電驅式壓力波動預止閥予以保護，并配以反饋信號，達到報警和水錘防護；沿線設置了多個壓力監測點。同時與中途減壓設備聯動控制。

采取上述措施后，通過流量調節水力分析，即使日常流量變化較大（非驟變工況）時，系統仍可在平穩的工況下正常運行，不會出現異常的壓力波動，如圖7 所示。

圖7 低點爆管時有保護措施時水壓波動情況

4 結語

針對白鹿原水廠南線輸水管道系統供水特點，采用穩壓池和中點減壓調節系統方式可有效降低系統壓力，預防水錘發生，減少水錘的破壞，管網系統運行4 年來狀態良好。在類似管道設計中應重點關注以下問題：

（1）采用調流調壓基站+穩壓池配水方式對輸水管道進行壓力分級，減壓、穩壓效果明顯，可有效降低了管網的壓力，降低工程投資，比以往單獨設置減壓閥或穩壓池在流量控制上更方便。

（2）通過比較分析3 種調流調壓基站設置位置的水力過渡過程，推薦采用中點調節，可有效降低系統壓力，使低點管段盡可能在低壓下運行，同時可盡量減少因調節所帶來的壓力波動；中點調節同時具備“防水錘關閉”以及“過流保護”等功能。