輸水管道工程調流消能型式研究論文
摘要：丘陵地區長距離輸水多采用單級或多級泵站加壓和有壓重力串聯的壓力輸水方式，選擇合適的調流消能型式保證不同輸水方式的管道流量匹配并消減富裕能量，對確保輸水系統安全、穩定、高效運行具有重要意義。通過對不同調流消能型式的研究，確定在有壓重力輸水管段設置活塞式調流閥和調節水池的調流消能型式可以滿足輸水系統不同工況運行要求，具有良好的效果，并對其運行調節流程進行了分析。該調流消能型式已在膠東引黃調水高疃泵站－孟良口子隧洞輸水管道工程中得到了成功應用，為丘陵地區長距離輸水管道的調流消能提供了借鑒和解決方案。
關鍵詞：引黃調水；輸水管道；有壓重力流；調流消能
１工程概況
膠東引黃調水高疃泵站－孟良口子隧洞輸水管道工程位于膠東山丘區，地形起伏較大，設計流量５．５ｍ３／ｓ，布設管道１根，線路全長約６２．６ｋｍ。在樁號４＋７１０處設高位水池，最大容積１９００．０ｍ３，高位水池上游管道采用泵站加壓輸水，下游管道采用有壓重力輸水。高位水池上游管道公稱直徑２．０ｍ，下游管道公稱直徑２．２ｍ。管材采用螺旋鋼管和預應力鋼筒混凝土管，均為地埋敷設，管道公稱壓力０．６～１．２ＭＰａ。管道沿線共設閥門井２７座，井內設電動蝶閥、進排氣閥等設備；進排氣井６５座，井內設復合進排氣閥；排水井２０座，井內設手動蝶閥等設備。高疃泵站安裝４臺雙吸離心泵，３用１備，其中２臺采用內反饋調速運行，單泵設計揚程６５ｍ，設計流量１．９ｍ３／ｓ。輸水管道縱斷面布置見圖１。
２輸水系統的控制措施
不同輸水方式串聯布置的管道流量適時匹配是保證輸水系統安全穩定運行的前提。根據該輸水線路布置特點，確定本輸水系統控制措施為：泵站加壓管段通過增減泵站機組、水泵調速等措施控制流量和壓力。有壓重力輸水管段通過控制調流消能設施，使其與泵站加壓管段的流量適時匹配并消減部分管段的富裕能量。由于受地形地勢、遷占征地等影響，泵站加壓與有壓重力輸水管段銜接處的高位水池容積不宜過大，因此要求有壓重力輸水管段的調流消能設施調節時間短并且動作可靠，避免運行過程中高位水池出現溢流或水位低于管頂的現象，所以確定有壓重力輸水管段的調流消能型式是整個輸水系統控制措施順利實施的關鍵。
３有壓重力輸水管段
調流消能型式的確定該輸水工程距離長、落差大，全線管道最大落差高達９５．０ｍ。當輸水系統在泵站初始運行或小流量工況運行時，有壓重力輸水管段穩態壓力線接近于高位水池靜水壓力線，從而產生較大的富裕能量（見圖１）；當輸水線路閥門關閉后，有壓重力輸水管段承受高位水池靜水壓力，使全線管道都要承受較高壓力，并且各規范推薦的輸水管道水力計算均為經驗公式，管材粗糙度等計算參數也均為經驗值，在水力計算過程中取值大都偏于安全，當輸水管線較長時，計算值和實際值可能偏差較大，由此也將產生富裕能量。因此通過控制有壓重力輸水管段調流消能設施消減富裕能量并調節流量才能滿足系統運行要求。根據工程特點，以下選取３種調流消能型式進行比選。
３．１調流消能型式方案
３．１．１方案一：利用管道閥門井內的電動蝶閥調流消能利用蝶閥開度增加局部水頭損失可降低管道壓力和調節管道流量［２］，但應避免閥門產生汽蝕導致設備出現劇烈振動、高噪音等危及設備運行安全的現象。當單不蝶閥調節無法滿足調流消能要求時，可依靠調整蝶閥群的開度來調節管道壓力、控制管道流量。根據工程設計指標分析計算得出：在設計流量工況時，通過調節輸水線路末端１座閥門井內電動蝶閥開度即可滿足輸水系統運行要求；在單泵流量工況時，需通過調節輸水線路沿線２０座閥門井內電動蝶閥開度才可滿足輸水系統運行要求。輸水系統穩態運行效果見圖２。３．１．２方案二：設置活塞式調流閥和調節水池調流消能根據有壓重力輸水管段靜壓和不同工況流量穩態分析，在樁號３４＋０００和管線末端設置活塞式調流閥，在樁號３６＋４５０設置調節水池。通過調節水池將有壓重力輸水管段分為２段，２處活塞式調流閥只對各自管段的流量分別進行調節。通過活塞式調流閥的調節，全系統流量能夠得到適時匹配，滿足不同工況的運行要求。活塞式調流閥的調節速度應滿足輸水系統水錘防護和水池調節容積要求。輸水系統穩態運行效果見圖３。３．１．３方案三：設置活塞式調流閥和減壓恒壓閥調流消能在樁號３４＋０００設置減壓恒壓閥，在管線末端設置活塞式調流閥。由于輸水管道管徑較大，減壓恒壓閥處需采用８個閥門并聯同時調節的'方式。減壓恒壓閥應具有無論進口段流量和壓力如何變化，出口端保持恒壓值不變的功能，并且出口恒壓值可方便地進行調節［１］。通過減壓恒壓閥降低下游管段承受的壓力，通過活塞式調流閥對有壓重力管段的流量進行調節，使高位水池水位維持在設計水位，全系統流量平衡。輸水系統穩態運行效果與方案二相差不大。
３．２方案選擇
針對各方案不同的調流消能型式進行技術及經濟各方面分析，以確定最優方案。
（１）調流效果。方案一利用蝶閥控制流量，受計算過程中近似處理、實際操作中的開度誤差等因素影響，存在一定的近似性，精確程度不是非常高［２］；方案二、方案三利用活塞式控制閥控制流量，其閥門開度與流量呈線性關系，具有良好的線性調流或穩定減壓特性，能夠實現精確調流。
（２）消能效果。方案一無法消除樁號３４＋０００下游管線的富裕能量，消能效果一般。方案二、方案三分別通過活塞式調流閥、減壓恒壓閥能夠消除管道全線的富裕能量，消能效果好。
（３）管道承壓。方案一由于蝶閥的密封性能一般，無法可靠地阻斷靜水壓力的傳遞，全線管道仍承受較高靜水壓力。方案二和方案三可分別通過調
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