长距离大落差重力流管道输水技术

2011-04-28杨照明张金承

水利建设与管理 2011年4期

杨照明张金承

（新疆水利水电勘测设计研究院乌鲁木齐 830000）

重力流管道输水存在流量控制、水锤压力防护、进排气等诸多问题，如何保证安全运行是一道难题。由于输水工况的复杂性，在短管路中可忽略不计的因素，在长输水管路中可能成为事故隐患，国内外报道中常有重力式管道输水工程出现各种安全事故的工程实例。阿拉山口供水工程是目前已建工程集长距离、大落差、地形复杂于一体的重力流管道输水的工程实例，为我国重力式管道输水技术积累了经验。

1 工程概况

新疆阿拉山口供水工程由取水首部工程、输水管道及隧洞工程、尾部调节水库工程三部分组成，为Ⅲ等中型工程；工程任务是为国家一类口岸——阿拉山口口岸区的边防部队、铁路、工业、城镇和生态绿化供水，年供水量2232万m3，设计供水流量1.3m3/s；工程输水距离长62.1km，其中，输水管线长47.747km，隧洞长14.346km，总落差710m，为充分利用地势条件，采用PCCP管道重力流输水，管道直径为DN900及DN800。该工程于2006年7月开工建设，2009年10月通水。

2 管道工程布置

阿拉山口供水工程渠首没有调节能力，管道供水流量随季节而变化，加上管线长、地形落差大、地形起伏段多，运行工况复杂，对管道安全运行极为不利。经经济技术比较，设计采用分段输水方案，以降低管道的工作压力，保证安全运行；隧洞前的管线分成三段，隧洞后的管线分成两段，每段的地形落差不超过160m，全线管道最大静水压力控制在1.8MPa之内，各分段间以消能井连接，前后管段构成独立运行系统（见图1）。根据该工程的地形条件，结合已建工程经验，在地形隆起处布置排气阀，共设置62座，平均0.9km有一座排气阀井。此外，沿线还设置了26个排水阀井。

3 关键技术

3.1 分段管道输水的联动控制

3.1.1 分段管道末端阀门设备及消能井的布置

阿拉山口输水工程线路中，尾部可由阿拉山口口岸供电，但管线前40多km处地偏远，沿线没有动力电源；隧洞施工输电线路只能供电至隧洞进口，即第三段管道末端，这样，第三管段末端及隧洞后的第四、第五管道分段末端的控制阀井系统都可实现电动控制；但前面的第一、第二分段末端的消能阀井无电动控制的条件。此次研究的主要内容之一，是对控制系统加以改进，实现在无电源线路段利用管道的水压传递来实现各分段管道流量的联动控制，保证流量控制的精确性和供水的稳定性。

目前在新型流量控制阀中，多喷孔套筒式锥形阀具有流量控制与消能的双重功能，一般为电动驱动，也可以用液压驱动代替电动驱动，但该阀必须与液位控制阀（位移控制器）组合，才能实现多喷孔控制阀的流量调节。液位控制阀一般放置于下游水池内，通过连通管与锥形阀的液压缸和上游管道相连。当下游水池水位变化时，通过压力传感器及阀门上游管道的水压推动液压缸，调节多喷孔控制阀的流量使水池的液位变化，从而控制阀门的下泄流量。该工程每段管道的末端均设有多喷孔控制阀和消能井，具备以上控制要求的所有条件，有实现联动控制的可能。以上各设备的布置见图2。

3.1.2 联动控制工作方式

第一、第二管道分段的末端分别设有独立的流量调节组合系统，包括消能井、多喷孔控制阀、电磁阀、压力传感器、位移传感器、浮球阀、流量计及控制箱等，共同完成各项控制，通过逻辑判断完成控制阀的流量调节，最终完成隧洞前的3个多喷孔控制阀下泄流量一致。第一、第二管道末端控制循环流程见图3。

图1 输水管道分段示意图

图2 分段管道末端阀门设备及消能井的布置

第三分段管道末端在隧洞进口，在工程实施后期有从隧洞施工输电线路中引入电源的条件，所以将多喷孔控制阀由液压驱动改为电动驱动，并配置有压力传感器、电磁流量计及控制箱（闭环比较分析系统）。为使整个引水工程前后输水流量控制协调一致，在引水渠首及管道的进水前池处设有压力传感器、量水堰测流仪、取水首部引水闸水位控制器及引水闸启动控制装置，从引水渠首到第三段管道末端组成一个大的自动控制闭合网。首先通过中控室控制箱的闭环比较分析系统对采集到的渠首和第三段末端的流量、水压信息进行逻辑分析，之后发出PLC信号给第三控制阀的控制系统，收到信号后再控制电动驱动多喷孔控制阀进行流量调节，流量变化后通过管道传到第二段末的消能井，引起消能井水位发生变化，变化后带动第二段末端的多喷孔控制阀调节流量，依此传递，最后到达第一段。这种调节流量方式是由后段逐级向前段分级实现的，并由管道的水压通过管道分段中间的消能井向上游传递。管道前三段控制流程见图4。

图3 第一、第二管道末端控制循环流程

图4 管道前三段控制流程

在管道沿线无电源的情况下，利用管道的水压传递来实现各分段管道联动控制，是该工程的一大特点，目前运行情况良好，此成果可省去光缆和输电线路投资，可在同类长距离输水工程中推广应用。电磁阀和电磁流量计的少量用电用70cm×40cm的太阳能板电池即可解决。

3.2 管道末端消能

该工程管道输水是分段运行的，经水力计算，分段管道末端既需要对流量的变化进行调节控制，又需要消除高落差带来的富裕能量，以便下一段管道进口平稳入水；各种运行工况时，水流经过这五段管道后，除沿程水头损失和局部损失外，末端尚有8～158m的水头，由于管道供水流量随季节而变化，在调节管道流量的同时，消除出口的富裕水头，是保证各段管道正常输水运行的关键问题。根据科研院校对阿拉山口供水工程的数值计算分析［1］和模型试验［2］结论，各消能井前上游的管道必须设置流量控制阀。该工程选用的是具有流量控制与消能双重功能的多喷孔控制阀，通过该阀门控制流量并消除绝大部分出口富裕水头，再经过消能井消除余能，水流平稳进入下一级管道；通过控制阀的开度控制管道流量和消能井中的水位，前后管段构成了独立运行系统。这种分段连接方式既保证了消能，又降低了管道的工作压力，一旦控制阀出现故障，利用消能井也可完全承担消能，避免对下段管线造成破坏。

阿拉山口供水工程中，采用流量控制阀和消能井联合应用的方式简单、可靠，很好地解决了大落差管道输水的流量调节与消能问题。

3.3 排气阀设置

有压供水管道排气是几十年来的世界性难题，阿拉山口供水工程沿线地形复杂，地形起伏较大，给管道的进排气提出了很高的要求，现有的规程［3］规定：“进排气阀口径在仅需要排气功能时宜取输水管道直径的1/12～1/8，在进排气阀功能均需要时，宜取输水管道直径的1/8～1/5”。此次选DN150作为全线通用口径。该工程全线进排气阀的间距分四种情况区别设置：

a.沿管道水流方向的地形是上升的，管道内气体很容易随着水流由低处向高处移动，这样的地形进排气阀间距可以超过规范规定的一般为1000m左右，经布置后最大间距达1.7km，这种地形段的管道容易排气，选用常规的进排气阀。

b.沿管道水流方向地形是下降的，管道内气体的移动方向在充水阶段与水流的方向是相反的，这种地形进排气阀的间距按规程布置，一般不超过1000m，选用以大排气量为主的进排气阀。

c.在地形纵向坡度变化较大处，在沿线大的隆起点的顶部、洪沟上游及河道的上游岸坡变坡处，这种地形的进排气阀往往排气量大，压力瞬间变化大，宜选具有进排气量大，并有缓冲功能的进排气阀。

d.在地形坡度平缓段，特别是沿管道地形是缓慢下降的，在充水阶段气体容易在管道顶部形成波状流进而形成段塞流，造成管道充水缓慢，在正常运行阶段管道内气体又含量较少，气体容易附着在管道顶部不易被水流带到下游，对这样的管段进排气阀间距宜小些，进排气阀间距控制在不超过800m。这种地形要求选用能够连续排出多段气体，又具有缓冲功能的进排气阀。

e.特殊地形不能按常规布置进排气阀的要求选择进排气阀口径和间距，设计上进行了必要的分析和计算，文献［4］论述了特殊地形段有负压出现的管段进排气阀口径的确定问题。