長距離輸水系統非滿管運行時的充水對策措施

劉 偉

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

進入21世紀以來，我國經濟高速發展，各行各業對水資源的需求也逐漸加大，特別是在水資源時空分布不均的地區，我國正在進行各種大型引調水工程建設，通過引調水工程優化局部地區水資源配置，為經濟建設提供強有力的保障，然而，長距離有壓輸水管道在建成后運行管理仍存在一定問題。

長距離輸水管道在建設過程中不可避免地形變化的問題，導致管線建設成多個連續的U型或W型曲折管段。在建設成或檢修后，運行中需對管道進行充水，在充水的過程中存在瞬變流、容易發生水錘。目前，已對這些問題進行了大量研究，如王福軍等[1]研究了大型管道輸水系統充水過程瞬變流；穆祥鵬等[2]比較復雜輸水系統水力過渡的數值方法；黃玉毅等[3]、郭曉朦等[4]、王俊[5]、朱滿林等[6]研究長距離壓力輸水工程中的水擊等水力現象；趙向軍[7]研究發現，工程實際證明充水過程控制不當，會產生水錘、斷流彌合水錘、管道氣堵、氣爆等嚴重危害；齊向南等[8]研究發現，當發生水力過渡時，整個輸水管路系統中水壓普遍劇降，在這些駝峰位置，一旦管路中壓強急劇下降至當時水溫的汽化壓以下，液態水將發生汽化，管道中水流的連續性遭到破壞，造成水柱分離，當分離開的兩水柱重新彌合時，如排氣過快將會形成彌合水錘。另外，在由低地勢向高地勢供水時，采用水泵向管道充水更為復雜，除管道沖刷、瞬變流及水錘外，還需保證水泵運行的安全平穩，如有操作誤差就會導致水泵正常運行的失敗，甚至會損壞水泵及供水系統。

目前，國內外對長距離輸水管道充水過程中的瞬變流、水柱分離及水錘等理論分析及研究較多，而在管道充水運行操作過程中，關于解決這些問題的應對措施的研究較少。本文針對管道充水過程中存在的沖刷、水錘等問題提出相應的解決措施，為類似工程的建設、運行及管理提供經驗，也為本工程生產運行后檢修、維護重新充水工作提供借鑒。

1 工程概況

1.1 G輸水工程

G輸水工程位于我國西北地區烏魯木齊市，設計輸水流量為40萬m3/d。水廠至中途泵站的長度為29.4 km，利用水泵向高差為155 m的高地供水，采用2根DN1800鋼管輸水。中途泵站至末端泵站的長度為50 km，利用水泵向高差為130 m高地供水，采用1根DN1400球墨鑄鐵管輸水。過障礙位置采用鋼管，全線每4 km設置1處檢修閥，在隆起點設置排氣閥。該工程輸水管線如圖1所示，由水廠至中途泵站及中途泵站至末端泵站均采用高揚程水泵進行輸水，輸水管線沿途地勢平緩上升，僅局部存在U型曲折管段。

圖1 G輸水工程管線布置Fig.1 Layout of G Water Diversion Project Pipelines

1.2 L輸水工程

L輸水工程位于我國西北地區烏魯木齊市，設計輸水流量為20萬m3/d。水廠至A水池管理站的長度為30 km，利用115 m的落差重力輸水，采用2根DN1200球墨鑄鐵管輸水，過障礙位置采用鋼管。A水池管理站至B水池管理站的長度為14 km，利用202 m的落差重力輸水，采用1根DN1000球墨鑄鐵管輸水，過障礙位置采用鋼管，全線每4 km設置1處檢修閥，在隆起點設置排氣閥。該工程輸水管線如圖2所示，由水廠至A、B水池管理站均采用重力輸水，輸水管線沿途需攀爬高差為40 m的山坡、跨越多道沖溝，整個輸水管線類似于波浪狀。

圖2 L輸水工程管線布置Fig.2 Layout of L Water Diversion Project Pipelines

2 充水方案應對措施分析

2.1 工程設計分析

2.1.1 充水條件及方式總述

在長距離輸水管道建成后，首次運行或檢修后啟動運行時，先要對管道充水并充滿，管道充滿后整個供水系統即可正常運行。但管道在建設過程中隨地形敷設，因此，地形變幅較大時充水速度較難控制，充水速度過快時容易產生氣堵(圖3)，甚至伴隨管道負壓和水柱分離等現象(圖4)。為防止出現上述現象，管道充水速度需得到控制，充水流速在0.3 m/s左右，最大充水流速為0.6 m/s[9]。管道沿線應適當設置排氣閥，減少或避免管道負壓的發生。另外，充水速度不宜太低，太低的充水速度排不出管道的存氣，不利于管道排氣，也會導致充水時間過長。

圖3 管道充水過程及空氣閥排氣Fig.3 Pipes Water Filling Process and Air Valve Venting

圖4 水柱分析與斷流彌合Fig.4 Water Column Analysis and Cut-Off Close

長距離輸水管道供水方式主要分為兩種，一種采用水泵由地勢低向地勢高區域供水，另一種采用重力由地勢高向地勢低區域供水。因此，輸水管道在建成后充水方式通常可有水池重力充水和水泵充水。重力充水時需控制出流流量，同時，還需控制管道沿線高低起伏處的充水流量。除需滿足重力充水的條件外，水泵充水還應控制水泵運行工況，避免水泵過載等損壞水泵的情況。

本文分別以G輸水工程水廠至中途泵站水泵充水控制及L輸水工程水廠至A水池管理站管道沿線充水控制為例作出分析。

2.1.2 G工程水泵充水方案設計分析

為控制G輸水工程出廠水及管道沿線的充水流量，在檢修閥門主管道一側設置旁通管并配套減壓孔板及控制閥門(圖5)。

圖5 充水閥門布置Fig.5 Layout of Water Filling Valve

旁通管管徑根據主管進水流速進行設計，本工程主管道充水流速取0.3 m/s，旁通管管道流速按不超過3 m/s計，則不同主管管徑對應旁通管管徑如表1所示。

表1 不同主管管徑下旁通管管徑Tab.1 Bypass Pipe Diameter under Different Main Pipe Diameters

G輸水工程主管管徑為1 800 mm，則旁通管管徑為600 mm。在旁通管上再設置減壓孔板，以達到有效控制充水流量的目的。減壓孔板的水頭損失，計算如式(1)～式(2)。

(1)

(2)

其中：Hk——減壓孔板的水頭損失，m；

Vk——減壓孔板后管道內水的平均流速，m/s；

g——重力加速度，m/s2；

ζ1——減壓孔板的局部阻力系數；

dk——減壓孔板孔口的計算內徑；取值應按減壓孔板孔口直徑減去1 mm確定，m；

d1——管道的內徑，m。

G輸水工程水廠二級泵房內最小單泵流量為2 200 m3/h，揚程為158 m，選擇水泵型號繪制水泵特性曲線，水泵運行的最大流量為2 747 m3/h，對應揚程為135 m，此時，采用減壓孔板限制水泵繼續增加流量以避免水泵損壞，并繪制出管道空管時的管路特性曲線和管道充滿后的管路特性曲線(圖6)，以確定水泵最小流量。

圖6 水泵特性曲線及管道空管、滿管的管路特性曲線Fig.6 Characteristic Curve of Pumps and Empty/Full Pipelines

如圖6所示，當管道充滿水后，水泵通過減壓孔板的限制出水最小流量為1 200 m3/h，對應揚程為180 m，則水泵在減壓孔板的限制下，水泵的流量為1 200～2 747 m3/h，對應揚程為180～135 m。

為保證G輸水工程水廠的二級泵房水泵平穩充水，則設置的減壓孔板需減壓Hk1=135 m，Vk1=2.7 m/s，d11=0.6 m。利用式(1)～式(2)確定dk1=0.174 m，考慮到單孔過流的不均勻性，本工程按照開孔總面積在減壓孔板上均勻開孔(圖7)。在減壓孔板下游側，孔將被加寬，呈斜角的形狀，以減小氣蝕。

圖7 減壓孔板開孔分布Fig.7 Pressure-Relief-Orifice Plate Tapping Distribution

G輸水工程采用水泵進行充水，本文僅介紹該工程的水泵出口流量控制及避免水泵過載的控制方案，對于輸水管線沿線的充水控制，可參照L輸水工程管線沿線充水控制方案進行設計。

2.1.3 L工程充水方案設計分析

L輸水工程水廠至A水池管理站管線總長度為30 km，管徑為DN1200，該段管線位于山區內，管線蜿蜒曲折，水廠至A水池管理站管線縱向剖面如圖8所示，總體由地勢高向地勢低處敷設，中間不斷有高低起伏。

圖8 L輸水工程水廠至A水池管理站管線縱向剖面Fig.8 Longitudinal Section Pipelines from L Water Diversion Project Plant to A Pool Station

本工程結合每4 km設置的檢修閥，在檢修閥處設置旁通管路系統，控制由高差導致的流速增加的問題，另外，在管線敷設坡度較大的管段位置增設檢修閥及旁通管路系統，避免該段管道長時間的沖刷。由表1可知，本工程主管為DN1200檢修閥處應設置DN400旁通管路系統。為滿足本工程選用減壓孔板開孔的需求，該段管線根據式(1)～式(2)計算孔板消耗不同水損需要的開孔面積，計算結果如表2所示。

由表2可知，可在選定的檢修閥位置消減相應的高差，并選定相應的減壓孔的開孔面積，減壓孔板可進行相應的開孔設計，開孔分布可按圖7進行設計。

表2 消耗不同水頭損失下的減壓孔板計算Tab.2 Calculation of Pressure-Relief-Orifice Plate under Different Head Loss

L輸水工程為重力供水，出口流量較為容易控制，因此，本文針對于L輸水工程僅介紹管線沿線充水方案。

2.2 工程充水方案

2.2.1 G工程

由上述分析可知， G輸水工程為水泵提升輸水工程。由表1可知，在水廠泵房出水主管上設置DN600旁通管路系統，并設置減壓孔板，在首次充水時保護水泵正常運行，并控制首次充水流量。同時，在管道坡度變化較大的適當位置設置檢修閥及旁通管路系統。根據消耗不同的水損，設置不同的減壓孔板，以滿足在非滿管情況下主管流速不大于0.3 m/s的條件，并在旁通管上設置閥門，便于充水及正常運行狀態之間切換。首次充水時關閉檢修主閥，打開旁通閥，待整個管道系統充滿水后，打開主管閥門關閉旁通管路系統，使整個輸水系統處于正常運行狀態。

2.2.2 L工程

L輸水工程為水池重力輸水工程，在廠區出水管設置電動閥控制出水流量，使主管滿管時流速不大于0.3 m/s。同時，在管路沿線設置同G輸水工程相同的充水管路系統，保證輸水管路系統在充水時的系統安全。

3 結論

(1)本工程充水方案能限制主管路系統充水流速在0.3 m/s及以下，可有效降低或避免由于充水過快導致水錘、管道沖刷及爆管等現象，保障輸水管路系統在啟動運行時的安全。

(2)本工程設置的減壓孔板可避免水泵在啟動充水時過載運行，保護水泵安全運行。

(3)本工程充水方案為長距離輸水管道充水提供了有效控制措施，降低管道運行管理難度，提高管理單位工作效率。本文相關的研究成果為長距離輸水系統中的非滿管時的管理運行提供技術參考。