長(zhǎng)距離雙管輸水系統(tǒng)連通管設(shè)計(jì)思路探討

黃志剛， 王 濤

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 工程概況

擬建巢湖市長(zhǎng)江供水工程為中型Ⅲ等工程,由長(zhǎng)江干流和縣段取水,采用長(zhǎng)距離管道兩級(jí)加壓輸送原水至含山縣和巢湖市。規(guī)劃水平年2035年設(shè)計(jì)引水流量5.889 m3/s(1.06×48萬(wàn)t/d),年引水量1.2億m3,管線全長(zhǎng)約80.8 km,主要建筑物有取水泵站、加壓泵站、輸水管線及管道附屬建筑物等。工程沿線共設(shè)置有兩個(gè)分水口:第一個(gè)分水口位于含山縣二水廠附近,分水流量1.227 m3/s(1.06×10萬(wàn)t/d);第二個(gè)分水口位于巢湖市二水廠附近,分水流量0.981 m3/s(1.06×8萬(wàn)t/d)。工程可行性研究階段雙管輸水方案中,取水泵站～含山分水口段選用DN1800預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管,含山分水口～加壓泵站～巢湖二水廠～巢湖市三水廠段選用DN1600預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管,管道糙率n取0.0125,管頂最小覆土厚度1.5 m。規(guī)劃工程供水工況見(jiàn)表1。

表1 規(guī)劃工程供水工況表

2 水泵選型與連通管設(shè)計(jì)

由表1可知,本工程各工況下用水需求存在巨大差異,取水泵站-加壓泵站段流量最大差值3.2倍,加壓泵站-巢湖三水廠段流量最大差值2.9倍,其中工況5為設(shè)計(jì)工況,工況1～4為近期用水需求工況,工況6為事故工況(事故水量按設(shè)計(jì)水量的70%考慮)。

以加壓泵站為界,前后兩段管線布置類同,以取水泵站-加壓泵站段為例介紹連通管設(shè)計(jì)的思路。在不考慮設(shè)置連通管時(shí),取水泵站-加壓泵站段雙管運(yùn)行各工況揚(yáng)程計(jì)算值見(jiàn)表2,其中事故工況6按不考慮設(shè)置連通管一條管道事故計(jì)算揚(yáng)程。

表2 取水泵站-加壓泵站段雙管運(yùn)行各工況揚(yáng)程表

從表2中可知,取水泵站-加壓泵站段最小揚(yáng)程24.1 m,最大揚(yáng)程76.6 m。一般通過(guò)變速調(diào)節(jié)(額定轉(zhuǎn)速的0.7～1.2倍)等常規(guī)調(diào)節(jié)措施,水泵揚(yáng)程可在額定揚(yáng)程上下調(diào)節(jié)50%左右即要求最大揚(yáng)程與最小揚(yáng)程3倍差值以內(nèi),若各工況都按雙管運(yùn)行,3.18倍揚(yáng)程差造成水泵選型極其困難,且極不經(jīng)濟(jì),小流量工況下,因流速低、容易造成管道淤積。對(duì)此,通過(guò)輸水系統(tǒng)設(shè)置連通管,靈活切換單雙管運(yùn)行方式,在滿足不同用水需求工況下,減小系統(tǒng)揚(yáng)程差,為水泵選型提供有利條件。

2.1 連通管間距計(jì)算原理

設(shè)兩條輸水管管徑分別為DN1、DN2,總設(shè)計(jì)流量為Q(m3/s),DN1及DN2的比阻系數(shù)分別為A1、A2,得方程組:

Q2=Q-Q1

聯(lián)立求解方程組可得:

則:

Q1=kQ

Q2=Q-Q1=(1-k)Q

當(dāng)輸水干管設(shè)計(jì)流量為Q(m3/s),事故水量為αQ(m3/s),輸水干管總長(zhǎng)度為L(zhǎng)(m),連通管間距S(m)。假定泵房出水壓力為一定值,當(dāng)DN2某段發(fā)生事故時(shí),其管道的水頭損失維持不變,輸水干管DN1的沿程水頭損失:

A1(αkQ)2(L-S)+A1(AQ0)2S=A1(kQ)2L

上述聯(lián)通管間距計(jì)算中,假定取水泵房出水壓力為定值,實(shí)際情況是,當(dāng)水泵的流量降低到70%時(shí),水泵的揚(yáng)程將會(huì)增大,即可利用的水頭會(huì)增大,理論上連通管的間距可以適當(dāng)加大。工程實(shí)際應(yīng)用中一般偏安全考慮,簡(jiǎn)化計(jì)算,不考慮水泵流量降低揚(yáng)程升高的有利因素。

2.2 連通管設(shè)計(jì)

巢湖市長(zhǎng)江供水工程各段雙管均同管徑,根據(jù)前述連通管間距計(jì)算方法,取水泵站-加壓泵站段、加壓泵站段-巢湖三水廠段各設(shè)置2處連通管,可行性研究階段將各段平均分為3段。連通管管徑確定的原則:在不影響管道正常輸水的前提下,當(dāng)兩條輸水干管的管徑相同時(shí),連通管和連通管閥門宜選擇比輸水干管小一號(hào)的管徑;當(dāng)兩條輸水干管的管徑不相同時(shí),連通管及連通管閥門應(yīng)采用較小輸水的管徑,以減少閥門的投資。因此巢湖供水工程雙管輸水方案中,取水泵站-加壓泵站段連通管管徑選用DN 1600(圖1),加壓泵站-巢湖三水廠段連通管管徑選用DN 1400。按流速不下于0.7 m/s原則控制管道運(yùn)行方式,計(jì)算取水泵站-加壓泵站段各工況下水泵揚(yáng)程;其中事故工況分別按一處管段事故、兩處管段事故以及三處管道事故計(jì)算揚(yáng)程,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

圖1 取水泵站-加壓泵站段連通管布置簡(jiǎn)圖

表3 設(shè)置2處連通管各工況揚(yáng)程表

從表3中可知,通過(guò)開(kāi)關(guān)連通閥門,出現(xiàn)小流量工況1、2時(shí),單管運(yùn)行,輸水系統(tǒng)最大揚(yáng)程和最小揚(yáng)程差值由3.18倍減小到2.50倍,在發(fā)生1處管段事故時(shí),最大揚(yáng)程較設(shè)計(jì)供水工況提高11.4%,發(fā)生2處管段事故時(shí),最大揚(yáng)程較設(shè)計(jì)供水工況提高38.1%,發(fā)生3處管段事故時(shí),最大揚(yáng)程較設(shè)計(jì)供水工況提高43.7%,設(shè)計(jì)中可通過(guò)變速等調(diào)節(jié)措施解決水泵選型問(wèn)題。前期方案設(shè)計(jì)中,連通管按管線長(zhǎng)度分三段平均設(shè)置,后期深化設(shè)計(jì)時(shí),可在揚(yáng)程控制段適當(dāng)增加連通管進(jìn)一步降低揚(yáng)程差,為水泵選型創(chuàng)造更加有利條件。

3 結(jié)束語(yǔ)

巢湖市長(zhǎng)江供水工程近期與遠(yuǎn)期用水需求差異巨大,且沿線設(shè)有多個(gè)分水口,為方便水泵選型,保證各工況下水泵經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供技術(shù)支撐,設(shè)計(jì)利用設(shè)置的連通管,按照用水需求、靈活采用單管或雙管運(yùn)行,控制允許最小流速0.7 m/s,且發(fā)生極端事故工況,利用設(shè)置的連通管,系統(tǒng)仍能滿足事故用水需求,滿足管道輸水工程的供水保證率要求。本工程水泵選型及連通管設(shè)計(jì)思路可為同類工程提供參考。