鄯善帕尔岗铁矿长距离加压输水管道设计探讨

王廷虎

（乌鲁木齐市水利勘测设计院（有限责任公司）新疆 乌鲁木齐 830049）

1 帕尔岗铁矿供水工程概况

鄯善县帕尔岗铁矿矿区位于鄯善县城南约152km处，矿区距鄯善县迪坎尔乡地下水水源地约180km，通往矿区道路为土路，交通较为不便。道路沿线为丘陵荒漠区，无人居住。

帕尔岗铁矿供水工程采用单条DN457壁厚8mm螺旋焊钢管道输水，起点在迪坎尔乡附近，至迪坎尔检查站附近开始进入南山矿区，沿线依次设置带前池型14级泵站，净扬程1728 m。全长175km，设计流量0.125m3/s，建成后实现供水量356.4万m3/a。具体参数见泵站特性表1。

2 长距离加压输水管道管材的选择

长距离加压输水工程如何优选泵站级数是选择输水管材的关键，不同材质的管材其承压能力是不同的，承压能力大的管材所选泵站级数少，相反承压能力小的管材所选泵站级数多。根据国内水泵生产技术能力和管材生产能力，本工程地形落差1378 m，可以选择7级泵站，每级扬程250 m，这样管材压力等级就得选3.0 MPa；可选择14级泵站，每级扬程130 m，这样管材压力等级就得选1.6 MPa。根据泵站级数优选的结果，管材压力选择在1.6 MPa以内。

结合本工程特点，当地温差大，地形起伏大，基础大部分为岩石。针对常用的输水管道钢管、球墨铸铁管、玻璃钢管选择说明比较如下：

2.1 钢管

钢管是用普通碳素钢钢板制作，它的强度高、韧性好，管材及管件易加工。目前市面上生产的地理钢管均进行了工厂化的防腐处理，按工艺处理不同有：涂塑钢管、3PE防腐钢管、FBE防腐钢管。本工程选用F B E防腐钢管，管径DN457，壁厚8mm，能够承受2.0 MPa以内工作压力。管材价格742.21元/m。

2.2 球墨铸铁管

球墨铸铁管被广泛应用于自来水管道、污水管道、工业用水和农业用水管道工程中。由于球墨铸铁管强度高、可塑性好、经久耐用，因而使用广泛。本工程所比选球墨铸铁管选用K8级DN500，水泥砂浆内衬，外喷涂煤沥青漆，能够承受2.0 MPa以内工作压力。管材价格890.62元/米。

2.3 玻璃钢管

玻璃钢管全称为玻璃纤维增强热固树脂夹砂管（简称FRPM），FRPM在欧美等国家受到广泛使用，我国近些年生产使用开始增加。玻璃钢管内壁光滑，设计粗糙系数通常取0.009（曼宁公式），无需防腐，重量轻，接口为柔性接口，抗震性能较好；但施工回填要求高。本工程所比选玻璃钢管选用K8级DN500，管材价格504.5元/米。

综上对比，考虑本工程属于中小口径输水管道，工程量较大，但工期紧。从经济方面看，虽然夹砂玻璃钢管每米单价均低于其它管材，但其施工要求高，且管材质量层次不齐。考虑钢管的性价比高，更适应本工程技术特点，再加上本地就生产螺旋焊管，故最终确定管材为钢管。

3 长距离加压输水管道管径的选择

长距离加压输水管道工程包括管道工程和泵站工程两部分。如何既减少工程的一次性投资，又能减少泵站后期运行管理费用是选择输水管径的关键。本工程采用费用现值最小法确定输水管管径。选择管径的技术要求为管内流速不得小于0.6m/s，设计选择DN377、DN426、DN457三种管径进行分析计算。计算出各个管径对应管道的投资，各个管径对应泵站的投资，各个管径对应年运行费（主要考虑电费），然后按费率和年限进行折现，选择费用总现值最低的管径。

表1 泵站特性表

表2 管径选择比较表

本工程计算参数如下：供水流量450m3/h，单条管道输水，输水线路长为175km，管道糙率系数n=0.012，折现率i=6%，折现年限N=15 a，年运行天数330天。

通过计算，本工程457mm管径为经济管径。通过本案例的计算分析不难看出，随着所选管径减小，费用现值增长较快。因此加压长距离输水管道宜根据工作压力选择较大管径，减少管路阻力，充分降低年运行费，使费用现值最小。

4 长距离加压输水管道工作压力的选择

加压长距离输水管道工作压力的选择要根据加压泵站级数的对比分析来确定。泵站级数多，管道工作压力低；泵站级数少，管道工作压力高。泵站级数多，管理节点多，流量不匹配问题突出，人工管理困难大，但总投资节约，技术上安全可靠；泵站级数少，流量匹配节点少，管理上较容易，但系统压力大，风险大，一次性投资和后期维护费用均较大。选择14级泵站技术上安全可靠，经济上节约。根据管径选择分析成果看，采用钢管和球墨铸铁管管材工作压力一般为1.6 MPa时，管径变化对价格影响较小。本工程选择工作压力控制在1.6 MPa以内，泵站级数为14级，基本做到了技术与经济的最佳组合。

5 长距离加压输水管道防护

5.1 水锤的防护

在长距离加压输水管道中，流速急剧变化而引起管道中水流压力急剧升高或降低现象就是水锤。常见水锤有水泵启动水锤和突然停泵水锤。水泵启动水锤增压不大，只要按正常开泵操作程序都不会造成影响。扬水泵站输水工程主要防护停电或事故停泵所产生的水锤，此种水锤压力值大，危害严重。为了防止停泵引起的最大水锤升压最大降压，以及水泵最大反转速可能引起的危害，本工程采取措施在泵出口管上设置二阶段缓闭止回阀和超压泄压阀。

5.2 空气阀的设置

在供水管道系统若干高处安装一定数量空气阀，既可在正常运行时排除管道中的空气，保证系统内是单向流，不致出现有完全分隔时更为严重的水锤，同时还可以在管道内出现负压时补气，防止产生负压水锤。管道初次充水时，管道内留有空气，需要通过空气阀排除。因此在输水管道设计时，必须设置空气阀，其数量应根据沿线地形情况合理确定布置位置，每隔一定距离布置一个点。在驼峰处必须布设空气阀，防止管道集气，以确保管道输水及安全。本工程在驼峰处布设空气阀且选择布置具有防弥合性水锤的空气阀，同时在平缓段每隔800 m设置1处复合式空气阀。

6 多级泵站输水管道工程自动化管理措施

随着信息自动化行业的快速发展，自动化管理技术越来越广泛运用于水利工程管理。本工程线路长，泵站多，需要关注的环节多，人工管理难度大。由于泵站级数多，各级之间流量匹配很难人工操作实现，运行常会出现前池溢水浪费水资源的情况。由于泵站多，每处泵站的操作失误或事故停泵都会对正常供水和系统安全造成影响，这在以往的工程中屡见不鲜，如何解决这些技术问题，本工程提出了相应的技术措施和管理手段。泵站采用变频控制充分消除流量匹配问题，通过监测泵站系统重要设备的运行状态，随时调整设备运行情况，已达到系统正常运行。本工程管道穿越罗布泊无人区，运行管理均采用自动化信息管理技术，铺设了一条专用通信光缆，在水源地和矿区用水节点设置了中心管理站，随时监控管道和泵站以及水源地的系统运行情况，实时调整设备运行状态，保证系统安全运行。本工程泵站级数虽然多，但通过后期自动化信息管理技术的运用基本解决了其存在的问题。

7 结语

在加压长距离输水管道设计中，管道部分投资过大，泵站部分后期年运行费用过高，都会影响工程效益，故必须综合考虑扬水泵站年运行费的降低和管道工程一次性投资的增加，这样才能达到技术经济的最优组合。同时，由于泵站级数多，线路长，自动化管理措施必不可少，其将为系统的安全、高效运行提供了技术支持，是帕尔岗铁矿供水工程后期正常运行的保障，为类似工程自动化管理提供经验。

[1]刘子慧.长距离输水工程[M].北京：水利电力出版社,2010.

[2]徐彬士.中国水利百科全书?城乡供水与排水分册[M].北京：中国水利水电出版社,2011.

[3]刘竹溪.水泵及水泵站[M].北京∶水利电力出版社,1995.