雙向調(diào)壓塔在長距離密閉輸水管線中的應(yīng)用

譚艷芳

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003)

1 工程概況

大伙房水庫輸水工程是遼寧省重點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，是解決遼寧中南部地區(qū)水資源短缺問題的戰(zhàn)略性工程，包括從遼寧東部地區(qū)向大伙房水庫調(diào)水的一期工程和從大伙房水庫向受水城市供水的二期工程。

二期工程采用長距離、多目標(biāo)、大流量的密閉壓力輸水系統(tǒng)，其中鞍山以上為重力流輸水方式，鞍山以下為串聯(lián)加壓輸水方式。輸水線路全長261km，包括29.1km隧洞及連接段和231.9km輸水管道。由于管線的選址和沿線水庫的位置關(guān)系，基于工程投資及運(yùn)行安全等諸多因素考慮，本工程在大伙房水庫至鞍山加壓站之間的干線上共設(shè)置了6座雙向調(diào)壓塔，作為系統(tǒng)平壓補(bǔ)水、保障安全的重要措施。其各調(diào)壓塔布置情況見圖1。

圖1 大伙房水庫輸水(二期)工程調(diào)壓塔布置

2 設(shè)置主要目的

大伙房水庫輸水(二期)工程距離長、密閉有壓且中間無任何調(diào)蓄設(shè)施，調(diào)壓塔的設(shè)置，其核心是起到超壓泄壓、負(fù)壓補(bǔ)水，防止斷流和斷流彌合水錘發(fā)生。主要表現(xiàn)為：?全線停水關(guān)閥時(shí)，有效降低靜水壓線，保證管線壓力在工作壓力之內(nèi)；?閥門動(dòng)作和泵組啟動(dòng)時(shí)，有效平定上下游管線正壓和負(fù)壓；?將密閉長輸管線分割成若干個(gè)水力控制和壓力控制相對獨(dú)立的單元。

調(diào)壓塔的設(shè)置，有效避開了按最大壓力選擇輸水管道的工作壓力，大大降低了工程投資；同時(shí)保證各種運(yùn)行工況時(shí)不溢流前提下，輸水系統(tǒng)出現(xiàn)靜壓時(shí)盡量接近管道工作壓力。設(shè)置調(diào)壓塔后，輸水管道的工作壓力不超過0.6MPa。

3 結(jié)構(gòu)及特征參數(shù)

3.1 雙向調(diào)壓塔的結(jié)構(gòu)型式及工作原理

根據(jù)大伙房水庫輸水(二期)工程實(shí)際地形情況，并結(jié)合各種工況水壓線考慮，工程沿線共設(shè)置6座雙向調(diào)壓塔，主要以倒U形管為主，其結(jié)構(gòu)由水平進(jìn)水管、90°連接彎頭、進(jìn)水豎管、拱形連接管、泄水豎管、消能孔板、水墊層、泄水三通、水平泄水管等組成。其結(jié)構(gòu)類似虹吸管，見圖2。

圖2 雙向調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)示意圖①-水平進(jìn)水管；②-進(jìn)水管豎向彎頭；③-進(jìn)水豎管；④-豎向連接法蘭；⑤-樓板；⑥軟連接固定裝置；⑦-空氣閥；⑧-通氣孔；⑨-拱形連接管；⑩-進(jìn)泄水連接管；-連通閥；-混凝土支墩；-泄水豎管；-消能孔板；-泄水三通；-水墊管；-泄水水平管；-壓力計(jì)；-水位計(jì)

當(dāng)管道正常運(yùn)行時(shí)，調(diào)壓塔水壓等于管道工作壓力；當(dāng)由于關(guān)閥等產(chǎn)生正壓水錘時(shí)，頂部空氣閥排氣和吸氣，泄水豎管溢流泄壓；當(dāng)由于突然停泵等產(chǎn)生負(fù)壓水錘時(shí)，通過進(jìn)水豎管向主管道內(nèi)補(bǔ)水補(bǔ)氣。為防止溢流時(shí)由于復(fù)雜流態(tài)而引起U形管振動(dòng)或晃動(dòng)，利用3cm厚橡膠墊片外加固定鋼圈設(shè)置軟連接裝置與樓板連接，同時(shí)頂層設(shè)置混凝土支墩支撐固定拱形連接管。

3.2 特征參數(shù)及物理意義

1號調(diào)壓塔位于輸水隧洞段，為高位水池，其余各調(diào)壓塔均采用倒U形管結(jié)構(gòu)型式。各雙向調(diào)壓塔的特征參數(shù)見表1。

表1 雙向調(diào)壓塔特征參數(shù)

由表1可見，相鄰兩座穩(wěn)壓塔的間隔在16～39km之間，其中3號塔與4號塔間距較大是因?yàn)樵谏蜿柖渌驹O(shè)置了干線調(diào)節(jié)閥；5號塔與6號塔間距較大，主要考慮此區(qū)間壓力曲線平緩，壓差較小。調(diào)壓塔底部進(jìn)水管與管頂平接，進(jìn)水管底高程即為管頂高程；頂部出水管高程即調(diào)壓塔溢流水位。當(dāng)管線壓力升高至調(diào)壓塔頂高程并繼續(xù)上升后，則穩(wěn)壓塔開始溢流，并維持系統(tǒng)壓力不超過調(diào)壓塔頂部壓力標(biāo)高。

為減少當(dāng)輸水管線的實(shí)際流量低于設(shè)計(jì)流量或水庫水位高于120m時(shí)調(diào)壓塔發(fā)生溢流的概率，運(yùn)行中利用設(shè)在撫順配水站和沈陽二配水站處的干線調(diào)流閥配合進(jìn)行減壓。

4 運(yùn)行分析

大伙房水庫輸水(二期)工程自2010年底通水，干線各雙向調(diào)壓塔正式投入運(yùn)行。由于工程運(yùn)行初期，沿線供水量較小，管線運(yùn)行壓力相對較高，在調(diào)度中充分利用干線調(diào)節(jié)閥進(jìn)行降壓，減少調(diào)壓塔的溢流頻次和溢流量，保證管線動(dòng)水壓力不超設(shè)計(jì)值。

4.1 運(yùn)行水位控制

由于所處的位置和沿線水量分配的差異，本工程6座雙向調(diào)壓塔的水位調(diào)控差異較大。根據(jù)運(yùn)行現(xiàn)狀，主要溢流瓶頸為沈陽一處的3號塔、沈陽二至遼陽區(qū)間的5號塔。各調(diào)壓塔運(yùn)行水位見表2。

表2 1～6號調(diào)壓塔運(yùn)行控制水位

4.2 典型工況運(yùn)行分析

4.2.1 大連支線增量

大連支線接管點(diǎn)位于鞍山加壓泵站，在輸水管線的下游。距離接管點(diǎn)最近的調(diào)壓塔為6號塔。由于大連支線供水量較大(60萬m3/d)，由0增至60萬m3的過程全線壓力大幅波動(dòng)，3號、5號調(diào)壓塔出現(xiàn)大量溢流。整個(gè)增量過程調(diào)壓塔的平壓作用顯著且反應(yīng)迅速。典型調(diào)壓塔壓力隨時(shí)間變化曲線見圖3～圖6。

圖3 1號塔壓力變化曲線

圖4 3號塔壓力變化曲線

圖5 5號塔壓力變化曲線

圖6 6號塔壓力變化曲線

其中，1號塔受撫順干線調(diào)節(jié)閥的影響成階梯上升，3號塔伴隨出現(xiàn)溢流。為了保證下游壓力水頭盡量富余，5號塔保持較長時(shí)間溢流，壓力波動(dòng)幅度在10m左右。6號塔瞬時(shí)有升壓，隨著大連支線閥門的開啟迅速降低，最終趨于平穩(wěn)。

在計(jì)劃性增量過程中，壓力變化可控性高，突變拐點(diǎn)較少，整體變化趨勢呈階梯上升，階梯下降，最后趨于平穩(wěn)。主要原因是增量過程分階段執(zhí)行，同時(shí)沈陽二干線調(diào)節(jié)滯后撫順干線3min，支線調(diào)節(jié)滯后干線調(diào)節(jié)5min左右。

4.2.2 沈陽二支線事故關(guān)閥

沈陽二支線水廠閥門突然自行關(guān)閉，導(dǎo)致事故停供，支線水量由48萬m3/d減至0。由于是突發(fā)狀況應(yīng)對，在事故發(fā)生初期系統(tǒng)壓力主要靠調(diào)壓塔進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于受沈陽二干線調(diào)節(jié)閥的控制，沈陽二支線事故停供發(fā)生后對下游壓力影響最大也最直接，4號塔瞬時(shí)升壓5.9m，5號塔溢流。1號、3號調(diào)壓塔的壓力波動(dòng)主要受調(diào)度干預(yù)的影響。整個(gè)過程1號、3號、5號調(diào)壓塔壓力隨時(shí)間變化情況見圖7～圖10。

圖9 4號塔壓力變化曲線

圖10 5號塔壓力變化曲線

事故關(guān)閥為突發(fā)性狀況，由于調(diào)控滯后的原因，系統(tǒng)壓力曲線峰值點(diǎn)或峰谷點(diǎn)顯著。后期人為調(diào)控后，壓力逐漸恢復(fù)。整個(gè)壓力波動(dòng)趨勢呈由高點(diǎn)不斷下降或由低點(diǎn)不斷上升的狀態(tài)。

4.2.3 干線局部管線停運(yùn)

沈陽二支線5號塔A線檢修停運(yùn)，該區(qū)間運(yùn)行管線由雙線變?yōu)閱尉€。為保證下游供水不小于設(shè)計(jì)水量70%，大連支線供水量配合由60萬m3/d減至20萬m3/d。該操作為計(jì)劃性檢修，上下游截?cái)嚅y的關(guān)閉規(guī)律為不小于900s線性關(guān)閥。由于單線水頭損失的增加，4號塔的壓力波動(dòng)幅度最大達(dá)到20.5m，在后續(xù)大連支線配合減量后逐步回升。5號塔在整個(gè)過程一直處于降壓，始終處于補(bǔ)水平壓狀態(tài)。調(diào)度過程各調(diào)壓塔壓力變化見圖11～圖14。

圖11 1號塔壓力變化曲線

圖12 3號塔壓力變化曲線

圖13 4號塔壓力變化曲線

圖14 5號塔壓力變化曲線

管線的切除過程，雖為計(jì)劃性操作，但較水量增減對系統(tǒng)影響而言，影響程度和范圍都更大。為了盡量保持平穩(wěn)過渡，沈陽二至5號塔區(qū)間管線切除分為沈陽二至4號塔、4號塔至5號塔兩個(gè)區(qū)段的切除。在切除段上游，壓力曲線由于減量先降低，管線切除后升高；在切除斷下游，壓力呈顯著降低趨勢。根據(jù)恒定流水力計(jì)算，穩(wěn)壓塔壓力波動(dòng)幅度及最終的壓力水平與理論計(jì)算結(jié)果吻合。

在典型運(yùn)行工況下干線各調(diào)壓塔壓力變化與上下游相關(guān)聯(lián)的壓力節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)了相符的變化規(guī)律，且反應(yīng)迅速、溢流及時(shí)暢通。調(diào)壓塔的運(yùn)行，有效減少了系統(tǒng)壓力大幅波動(dòng)的時(shí)長，發(fā)揮了良好的平壓補(bǔ)水、控制和降低系統(tǒng)壓力的調(diào)控作用，保護(hù)了管線及設(shè)備。同時(shí)，由于調(diào)壓塔的分割，密閉系統(tǒng)劃分為相對獨(dú)立的水力控制單元，降低了輸水系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行的難度。

調(diào)壓塔在日常運(yùn)行中，特別是在東北地區(qū)，冬季保溫是安全運(yùn)行的重要保障。為防止調(diào)壓塔因凍結(jié)失效，可采用增加備用閘閥和波紋管、在溢流面增加電加熱管、在管道表面增加伴熱帶等措施。此外，可在溢流口、抽排口設(shè)置防凍水泵。

5 結(jié) 語

大伙房水庫輸水工程雙向調(diào)壓塔運(yùn)行至今，尚未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的損壞和因運(yùn)行異常而導(dǎo)致的各類安全事故和工程事故。雙向調(diào)壓塔在實(shí)際運(yùn)行中充分發(fā)揮了超壓溢流、負(fù)壓補(bǔ)水的功能，在極端典型工況下控制可靠、靈活，在調(diào)流、調(diào)壓方面起到了關(guān)鍵作用。實(shí)踐證明，雙向調(diào)壓塔在長距離、密閉有壓的輸水管線系統(tǒng)中應(yīng)用是安全可靠的。雙向調(diào)壓塔在密閉輸水管線上的設(shè)置間隔應(yīng)綜合考慮沿線水力坡降、壓力水頭、調(diào)控設(shè)施等因素，一般情況宜在20km左右。合理選擇泄水豎管消能孔板的數(shù)量及尺寸、降低頂部負(fù)壓和軟連接減振措施是U形管結(jié)構(gòu)雙向水力調(diào)壓塔設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，大伙房水庫輸水工程雙向調(diào)壓塔的成功應(yīng)用，可為同類工程提供借鑒。