高揚程遠距離供水安全關(guān)鍵技術(shù)研究

牟聲遠

摘 要：近年來，國家加大農(nóng)村飲水解困工程建設(shè)，改善了農(nóng)村飲水困難問題，但在工程建設(shè)中，對于不同地區(qū)不同類型的供水工程，因地制宜、利用新技術(shù)新設(shè)備，探求經(jīng)濟安全、便于管理的供水工程技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。本文結(jié)合陜西省山陽縣天竺山供水工程高揚程、遠距離、小流量的特點，對其關(guān)鍵技術(shù)，主要包括：水源選擇，新型泵的選擇，經(jīng)濟管徑的確定，自動化控制等進行研究，采用特種柱塞泵及自動化控制技術(shù)，以最少投資、方便管理實現(xiàn)安全供水之目標。

關(guān)鍵詞：供水安全;高揚程;水力計算;自動化控制

中圖分類號： S277.7 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號： 1673-1069（2017）01-155-2

1 ?工程概況

山陽縣天竺山森林公園位于縣城東南30km的鶻嶺以南，鄖嶺以北，東西長約40km，南北寬約25km，總面積1058hm2，最高海拔2074.4m，最低海拔1225m，森林覆蓋率88%。據(jù)縣旅游局提供，大頂接待游客預測最高日為20000人，其中用餐人數(shù)為5000人/日，供水量50m3/d。通過實地勘測和調(diào)查，天竺山山坡非常陡，山頂及山坡沒有充足供水水源，依靠集雨供水，集流一則沒有適當?shù)牡匦巍⒌刭|(zhì)條件，二則還需要砍伐松林，且投資大，所以只有利用天竺山坡腳的長溝地表水源，該溝在七里峽入口前的陰坡，溝內(nèi)常年流水，從來未斷流，實測最小流量為20L/s，距天竺山森林公園約10km，高差約1330m，水量和水質(zhì)滿足供水要求。故計劃在七里峽入口前的陰坡溝口建一級加壓站，在站前距溝口30m處設(shè)滲渠取水，取水高程720.0m，溝泉水經(jīng)側(cè)向濾池進入集水室，再經(jīng)DN110PE管流入柱塞泵吸水口，經(jīng)加壓，通過高壓輸水管道將水送至山頂高位蓄水池。

2 ?選泵

由于旅游區(qū)用水時間多集中在白天，而且5000人用水時間基本上集中在11：00～16：00時的5個小時之內(nèi)，由于泵站揚程高，供水量小，若采取多級供水，不僅工程投資大，建設(shè)難度大，而且管理也很復雜，故計劃采用以下三種一級供水方案。

方案一： 24小時供水，泵站設(shè)計流量：Q=50m3/24h=2.08m3/h;方案二：21小時供水，泵站設(shè)計流量：Q=50m3/21h=2.38 m3/h;方案三：16小時供水，泵站設(shè)計流量：Q=50m3/16h=3.13m3/h。

根據(jù)寶雞航天動力泵業(yè)有限公司及天津海盛泵業(yè)公司提供工業(yè)用高壓柱塞泵特性，并根據(jù)本工程高揚程的特點，三種方案選擇泵型如下：方案一：寶雞航天動力泵業(yè)的3DS18.5（22MPa，2.1m3/ h，18.5kW）兩臺，一用一備;方案二：天津海盛泵業(yè)的3D1-SZ-40/20（20MPa，2.4m3/h，18.5kW）兩臺，一用一備;方案三：寶雞航天動力泵業(yè)的3DS22（22MPa，3.1m3/h，22kW）兩臺，一用一備。

3 ?管道最優(yōu)化計算

壓力水管直徑的選擇是一個動能經(jīng)濟比較問題：當增大直徑時，水管造價亦隨之增加，但其流速減小，水頭損失引起的電能損失也可以小一些;反之，當減小直徑，造價雖然降低，但其流速增大，損失的電能就要多一些。而目前計算管道經(jīng)濟直徑的公式都不是針對本工程的，很難達到最優(yōu)，對于高揚程、長距離本供水工程而言，一些經(jīng)驗性指標的微小變化，也會產(chǎn)生很大的差異[1，2]，因此，管徑問題已成為其關(guān)鍵問題。

壓力鋼管的主要荷載是內(nèi)水壓力，由它在管壁中所形成的環(huán)拉應力是控制壁厚的主要因素。根據(jù)工業(yè)工程管道設(shè)計規(guī)范，管壁厚度可按如下公式初選[3]：

t=（cm） ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：p為內(nèi)水壓強p=9.81H（103Pa）;D為管內(nèi)徑（cm）;[σ]為鋼材允許應力，取[σ]=164.0 MPa;φ為焊接系數(shù)，取0.9（單面對焊接）和0.95（雙面對接焊）。

其中：作用水頭H=△H+hf

式中：H為作用水頭（m）;△H為高差;hf為沿程損失水頭。

hf= （2）

其中：v為流速，v=Q/S=4Q/πD2，其中，Q為流量;n為粗糙系數(shù)（鋼管中等粗糙系數(shù)為0.0125）;R為斷面水力半徑（m），R=D/4;C為謝才系數(shù)，C=R1/6/n;所以：

hf== （3）

要使鋼管重量最小，則應使鋼管截面面積最小，其截面面積A=πDt ? ? ? ? ? （4）

代入得：A= （5）

為求極小值，需兩邊對D求導，并令其為零，則得：

=

=0

即：D=（） ?（6）

公式（6）即為壓力水管的經(jīng)濟直徑計算公式。

3.1 管內(nèi)徑計算

陜西省山陽縣天竺山供水工程高差約為1330m，輸水距離大l=10000m，其中糙率系數(shù)n取0.0125，按以上初選三種方案分別計算。方案一流量Q=2.1m3/h，方案二流量Q=2.4m3/h，方案三流量Q=3.1m3/h，根據(jù)公式（6）計算管內(nèi)徑如下：

D24=（）

=0.030m=30mm

D21=（）

=0.031m=31mm

D16=（）

=0.034m=34mm

根據(jù)計算，工況一時，管的內(nèi)徑選30mm;工況二時，管的內(nèi)徑選擇32mm;工況三時，管的內(nèi)徑選34mm。

3.2 水頭損失計算

根據(jù)公式（3），24小時工作時：

hf==726m

21小時工作時：

hf==672m

16小時工作時：

hf==811m

3.3 管道壁厚計算

根據(jù)公式（1），24小時工作時：

t==0.0019

21小時工作時：

t==0.0020

16小時工作時：

t==0.0023

考慮到鋼管再運行中的銹蝕與磨損，對所計算得的管壁厚度增加1～2mm的銹蝕裕量，因此，三種方案均取壁厚為4mm。

3.4 流速計算

根據(jù)公式：v=Q/S=4Q/πD2得：

v24==0.83m/s

v21==0.83m/s

v16==0.95m/s

3.5 泵壓力較核

三種方案水泵壓力分別為22MPa，20MPa和22MPa。

P24=9.81×（1330+726）×103=20.2MPa<22MPa

P21=9.81×（1330+672）×103=19.6MPa<20MPa

P16=9.81×（1330+811）×103=21.0MPa<22MPa

因此三種方案所選泵型揚程滿足要求。

3.6 三種方案比較

[工作時間＼&24小時＼&21小時＼&16小時＼&泵型

泵壓力

流量（m3/h）

流速（m/s）

泵功率

管外徑

壁厚＼&3DS18.5

22MPa

2.1

0.83

18.5kW

38 mm

4 mm＼&3D1-SZ

20MPa

2.4

0.83

18.5kW

40 mm

4 mm＼&3DS22

22MPa

3.1

0.95

22kW

42 mm

4 mm＼&]

從各種指標來看，方案一功率小，管徑小，一次投資小，但設(shè)備運行時間長，方案三功率大，管徑大，投資大。通過概算，三種方案工程靜態(tài)總投資分別為92.35萬元、89.29萬元和97.05萬元。因此，綜合來看，推薦方案二（21小時工作），即柱塞泵使用天津海盛泵業(yè)公司提供的（3D1-SZ-40/20），鋼管選擇40×4無縫鋼管。

4 ?遠程供水監(jiān)控系統(tǒng)

由于山坡陡峭，交通不變，為了提高管理水平且省電，擬采用自動化控制。遠程供水監(jiān)控系統(tǒng)一般監(jiān)控距離在5公里以上，監(jiān)控系統(tǒng)包括遠程通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)在線監(jiān)測系統(tǒng)和遠程控制系統(tǒng)三部分。由于有線方式采用光纖通訊，費用太高，設(shè)備有效利用率也低，因而采用無線通訊較好，費用低、安裝、調(diào)試、維修也方便。

高位蓄水池設(shè)置上下限水位，由水位傳感器提供信號，各種設(shè)備同步工作，圖1～圖5為控制原理圖。

<E：＼123＼中小企業(yè)管理與科技·上旬刊201701＼1-197＼7-1.jpg>

圖1 ?系統(tǒng)供水遠程監(jiān)控原理圖

<E：＼123＼中小企業(yè)管理與科技·上旬刊201701＼1-197＼7-2.jpg>

圖2 ?系統(tǒng)供水遠程監(jiān)控拓樸圖

<E：＼123＼中小企業(yè)管理與科技·上旬刊201701＼1-197＼7-3.jpg>

圖3 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

<E：＼123＼中小企業(yè)管理與科技·上旬刊201701＼1-197＼7-4.jpg>

圖4 ?數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接線圖

<E：＼123＼中小企業(yè)管理與科技·上旬刊201701＼1-197＼7-5.jpg>

圖5 ?水泵控制系統(tǒng)接線圖

5 ?結(jié)束語

陜西省山陽縣天竺山供水工程具有高揚程、長距離輸送的特點，本供水工程采用的方案主要關(guān)鍵技術(shù)包括：水源選擇，特種柱塞泵選擇，最優(yōu)管徑，自動化控制等。本文針對這些問題進行研究，為同類型農(nóng)村供水工程提供參考。

參 考 文 獻

[1] 劉玉忠，付艷鋒.農(nóng)村飲水安全工程設(shè)計要點探討[J]. 河南水利與南水北調(diào)，2008（3）：12～13.

[2] 張大偉，董玉良，綦山.農(nóng)村飲水工程管道設(shè)計及材料選定[J].黑龍江水利科技，2004（3）：34～35.

[3] 金鐘元，伏義淑.水電站[M].北京：中國水利水電出版社，1994.