長(zhǎng)距離重力輸水管道布置自適應(yīng)優(yōu)化研究

涂俊宏

（新疆峻特設(shè)計(jì)工程有限公司阿拉爾分公司,新疆 阿拉爾 843300）

0 引言

隨著現(xiàn)代化社會(huì)的飛速發(fā)展,為了能夠更合理和科學(xué)的對(duì)輸水管道進(jìn)行布置,使得長(zhǎng)距離重力有壓流的管路能夠更加安全地運(yùn)行,通過建立長(zhǎng)距離輸水管道壓力模型來將流量進(jìn)行均勻控制。通過對(duì)不同模塊的合理使用,在忽略管橋帶來的水力損失基礎(chǔ)上,能夠根據(jù)水力學(xué)原理,得到較為優(yōu)化的重力輸水管路連通布置的設(shè)計(jì)方法[1]。根據(jù)分析不同管理之間的距離,使得輸水流量問題得到改善,水力坡降線變緩。通過對(duì)輸水管道中氣囊運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行總結(jié),不僅可以節(jié)約成本,還能夠使綜合布置得到高效運(yùn)作。水庫(kù)作為大規(guī)模儲(chǔ)水設(shè)施,可以儲(chǔ)存大量的水資源。通過長(zhǎng)距離管道輸水,可以將水庫(kù)中的水穩(wěn)定、可靠地輸送到水廠,確保水廠有持續(xù)的供水來源。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平的提升,日常維護(hù)工作任務(wù)量得到緩解,減少工程項(xiàng)目的成本,提升工程建設(shè)的安全性,具有廣闊的發(fā)展前景[2]。經(jīng)過計(jì)算分析和實(shí)際工程研究中發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)距離重力輸水管道中經(jīng)常發(fā)生水錘事故。由于輸水管道內(nèi)排氣不暢,單閘閥失靈造成水錘事故,水錘壓力升高達(dá)到百米,發(fā)生爆管事故會(huì)嚴(yán)重危害到輸水管道的安全施工使得結(jié)果難以符合預(yù)期。因此現(xiàn)階段,以長(zhǎng)距離重力輸水管道布置自適應(yīng)優(yōu)化為研究對(duì)象,結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與分析。

1 輸水管道布置自適應(yīng)優(yōu)化

1.1 長(zhǎng)距離輸水線路豎向布置

輸水管線豎向布置結(jié)合管道水力變化結(jié)果,在正常運(yùn)行條件下,使得管道最小內(nèi)水壓力保持在穩(wěn)定水平[3]。在輸水總管進(jìn)口處設(shè)置流量計(jì),在輸水管路任意一處的測(cè)壓管水頭為：

式中：h（x）為水庫(kù)達(dá)到x處的水力損失；u為平均流速。

計(jì)算在正常運(yùn)行工況下,水庫(kù)到點(diǎn)的局部水力損失結(jié)果,其公式為：

式中：D為管徑長(zhǎng)度。

通過計(jì)算水頭壓力,結(jié)合管材強(qiáng)度的條件,在通常情況下,可以設(shè)定管線埋設(shè)高度為3 m。管線要根據(jù)管道的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行豎向填墩[4]。根據(jù)供水安全的需要,管線采用河底穿越,管頂埋深要大于河道沖刷線。在與其他埋線管道發(fā)生交叉時(shí),需要保證局部管段滿足施工規(guī)范要求。輸水管道在檢修運(yùn)行過程中,需要進(jìn)行排氣。在主管線上分支口處設(shè)置控制閥,采用F54G閥為旁通閥,閥門的間距為1.5 m。同時(shí)設(shè)置排氣閥來減少水錘發(fā)生。同時(shí)在沿線布置監(jiān)測(cè)傳感器,能夠?qū)Σ煌Ь€管道的流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制,通過對(duì)管網(wǎng)的不斷檢測(cè)來預(yù)防水錘發(fā)生。如果運(yùn)行工況較為復(fù)雜,在工況切換過程中會(huì)導(dǎo)致輸水管路發(fā)生過渡問題,使得供水流量發(fā)生變化,需要對(duì)水力過程進(jìn)行模擬計(jì)算,運(yùn)用本次采用KY-PIPE水錘分析軟件,根據(jù)平面關(guān)系位置建立二維水力計(jì)算模型,并在模型節(jié)點(diǎn)中輸入控制節(jié)點(diǎn)高程、管線長(zhǎng)度等特性參數(shù),對(duì)管道水力過渡過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,對(duì)關(guān)閥水錘進(jìn)行復(fù)核,為管道安全、穩(wěn)定運(yùn)行優(yōu)選合理的水錘防護(hù)措施。

1.2 重力流輸水管道壓力水錘計(jì)算

為計(jì)算水錘壓力升高問題,通過建立水錘基本方程式進(jìn)行水錘壓力數(shù)值計(jì)算[5]。分析有壓管道中的水錘變化過程,在不同情況下,當(dāng)水流管道材料和沿管方向不發(fā)生變化時(shí),得到運(yùn)行方程為：

式中：F為管路水頭；V為管中的水流速度；θ為管路與正方向的角度；g為重力加速度；t為水錘的傳播時(shí)間；a為水錘的傳播速度。

通過比較水流速度與水錘速度,在不考慮管道摩擦力的條件下,能夠?qū)⒎匠剔D(zhuǎn)化成為線性方程[6]。設(shè)定閥門端點(diǎn)為x,當(dāng)正向?yàn)樯嫌畏较驎r(shí),結(jié)合下圖對(duì)方程進(jìn)行簡(jiǎn)化,水擊計(jì)算示意圖,見圖1。

圖1 水擊計(jì)算過程圖

對(duì)于不同斷面位置,在不同時(shí)間內(nèi)的水錘壓力值都能夠形成正向傳播的壓力波。水錘壓力波向水庫(kù)方向傳播,當(dāng)水錘波向設(shè)備進(jìn)行傳播時(shí),在壓力管道中的水錘壓力為不同波的累積計(jì)算值[7]。在發(fā)生水錘時(shí),設(shè)定管道中的水壓分布為均勻狀態(tài)。在水錘波傳播過程中,管壁對(duì)于其傳播過程產(chǎn)生一定削弱能力。在管道內(nèi),發(fā)生水錘之間的管道內(nèi)水流呈穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí)管道內(nèi)的水流動(dòng)狀態(tài)為：

式中：Q為未知量；A為已知變量。

引入不同的瞬時(shí)邊界條件,在輸水管道中添加水錘保護(hù)裝置,通過計(jì)算邊界條件參數(shù),能夠得到近似有限差分方程。對(duì)管道進(jìn)行劃分,計(jì)算步長(zhǎng)Δt的結(jié)果[8]。結(jié)合水壓力分布情況,得到在相同時(shí)間內(nèi)的管道不同位置流量結(jié)果。

1.3 自適應(yīng)算法管道布置優(yōu)化

結(jié)合實(shí)際工程的具體情況,合理布置排氣閥,以保證水錘防護(hù)效果。在長(zhǎng)距離重力流輸水管路中布置隔離水池,對(duì)復(fù)雜的管道進(jìn)行簡(jiǎn)化,設(shè)置隔離水池的邊界條件公式為：

式中：Δ f 為水位波動(dòng)幅度；Fi為設(shè)計(jì)水位。

運(yùn)用自適應(yīng)AGS算法對(duì)衰減因子進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整,水在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí),起初屬于無壓流狀態(tài)[9]。在搜索過程中,從無壓流變成有壓流,壓力不斷變大,搜索粒子靠近最優(yōu)解,運(yùn)用小步長(zhǎng)搜索來尋找全局最優(yōu)解。自適應(yīng)衰減因子計(jì)算結(jié)果為：

式中：t為當(dāng)前的迭代次數(shù)；β為起始參數(shù)；當(dāng)β=35是的算法尋優(yōu)效果最佳。

當(dāng)管道中壓力降低到一定程度時(shí),在得到優(yōu)化結(jié)果后,管道內(nèi)高壓水流可以進(jìn)入調(diào)壓塔進(jìn)行存儲(chǔ)[10]。等到管內(nèi)的瞬時(shí)壓力大于調(diào)壓塔的泄壓值時(shí),進(jìn)行泄壓排水。這時(shí)能夠使得管內(nèi)壓力達(dá)到相對(duì)平衡的狀態(tài),達(dá)到水位守恒。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

為驗(yàn)證本文優(yōu)化方法的應(yīng)用性,設(shè)置6個(gè)小組。其中運(yùn)用本文方法的小組為實(shí)驗(yàn)組,運(yùn)用傳統(tǒng)方法的小組為對(duì)照1～5組。在輸水管道工程中,最小輸水流量要求在運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行故障檢修時(shí),對(duì)6個(gè)小組的輸水流量最小流量占比進(jìn)行計(jì)算與比較,得到具有更高的設(shè)計(jì)流量,這樣能夠達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.1 搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境

以某供水工程為例,該工程自喀拉玉爾滾水庫(kù)引水,管線沿五團(tuán)新總干渠、東干渠、玉阿公路東側(cè)布置,至阿拉爾工業(yè)園區(qū)水廠結(jié)束。地面高差291.4 m,采用重力輸水方式,沿途設(shè)置1座減壓池,2座減壓基站,1座末端調(diào)節(jié)基站。規(guī)劃年可從喀拉玉爾滾五團(tuán)灌區(qū)輸水總量為5520萬m3。最大月輸水量500萬m3,最小月輸水量440萬m3,由此計(jì)算最大輸水流量為2.0 m3/s,最小輸水流量為1.7 m3/s。

該工程輸水管全長(zhǎng)108.328 km,0+000～13+100段采用DN1000的球墨鑄鐵管（K9）,13+100～108+328段采用 1.0 MPa,DN1200的玻璃鋼管。在管道使用材料選擇方面要控制材料的質(zhì)量,在特殊位置使用鋼管進(jìn)行焊接。供水工程在進(jìn)行輸水過程中,沿線需布置一定數(shù)量閥門。分段管材的選用標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 管材選擇標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)相似工程的水擊計(jì)算結(jié)果及控制閥門的啟閉時(shí)間,按管道沿線的最大靜水壓力作為設(shè)計(jì)壓力取值。在樁號(hào)14+650、108+328隔斷閥前各安裝一臺(tái)DN250安全泄壓閥,樁號(hào)32+150、53+300隔斷閥前各安裝兩臺(tái)DN200安全泄壓閥,以及在管道沿線安裝空氣閥。本工程輸水管全長(zhǎng)108.328 km,0+000～13+100段采用DN1000的球墨鑄鐵管（K9）,13+100～108+328段采用 1.0 MPa,DN1200的玻璃鋼管。同時(shí),設(shè)定水錘閥門關(guān)閉時(shí)間為150 s。通過控制裝置調(diào)節(jié)流量,在管道內(nèi)流速不斷變化過程中測(cè)量管道內(nèi)水流壓強(qiáng),得到管道內(nèi)的水擊結(jié)果,按照綜合效果判斷管材的壓力強(qiáng)度,并在檢修過程中獲取管道內(nèi)的輸水流量。

2.2 結(jié)果與分析

在正常運(yùn)行時(shí),對(duì)6個(gè)小組的輸水管道依次進(jìn)行檢修,獲得輸水管道內(nèi)部的輸水流量結(jié)果見表2。

表2 檢修時(shí)的輸水流量

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,對(duì)6個(gè)小組的最小流量值進(jìn)行計(jì)算,得到：實(shí)驗(yàn)組的最小流量比重為91.3%,對(duì)照組的最小流量比重分別為69%、53%、55%、53%、64%。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)組的輸水流量為6個(gè)小組中的最大輸水流量,其占最小流量的比重也是6個(gè)小組中最高的。說明運(yùn)用本文方法進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化布置后的輸水系統(tǒng)沒有負(fù)壓產(chǎn)生,滿足了達(dá)到最小流量70%以上的要求,完成自適應(yīng)優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)較好的應(yīng)用效果。

綜上所述,通過建立長(zhǎng)距離重力有壓輸水管路模型,能夠在實(shí)際運(yùn)行中對(duì)管徑進(jìn)行合理化選擇,能夠通過不斷檢修時(shí)刻監(jiān)測(cè)管道內(nèi)部壓力,使得在更換流量計(jì)或者其他工作時(shí),輸水管道能夠正常運(yùn)行。同時(shí),通過流量信號(hào)對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制,能夠減少管道內(nèi)產(chǎn)生大幅度的波動(dòng),保持管道口的流量穩(wěn)定,有效消除水錘對(duì)布置過程中產(chǎn)生的影響。安裝防護(hù)設(shè)備,管道內(nèi)壓力控制在允許范圍之內(nèi),無超壓現(xiàn)象發(fā)生從而提升輸水管道運(yùn)行的可靠性和安全性,完成輸水管道的布置優(yōu)化。

3 結(jié)語(yǔ)

本次從自適應(yīng)優(yōu)化入手,深入分析重力輸水管道問題,探究了長(zhǎng)距離重力輸水管道布置自適應(yīng)優(yōu)化問題。能夠使得我國(guó)水資源的分布更加均勻,緩解人們對(duì)水資源的迫切需求。增加長(zhǎng)距離大流量的輸水工程建設(shè),使建筑輸水管道自適應(yīng)方案能夠得到可行性優(yōu)化,為規(guī)劃布置提供了有力的數(shù)據(jù)支撐,解決了不同影響因素導(dǎo)致的技術(shù)問題,能夠?qū)崿F(xiàn)較好的優(yōu)化效果。但方法中還存在一些不足之處,例如供排水問題,輸水管線穿越溝渠等。今后應(yīng)更加完善計(jì)算,通過對(duì)保證安全供水,使得長(zhǎng)距離輸水管線的布置成果更加優(yōu)化。提升工程設(shè)計(jì)的可行性,使得管徑能夠滿足實(shí)際流量需求。按照實(shí)際地質(zhì)條件尋找合理的布置方式,提高布置的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。通過不斷維護(hù)與改善,完成對(duì)于長(zhǎng)距離重力輸水管道布置自適應(yīng)優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)。