超高落差长输供水工程减压消能方案优选实例研究

唐 迪，刁美玲，王婷婷

(1.大连市供水有限公司,辽宁 大连 116000；2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江 哈尔滨 150090)

超高落差长输供水工程减压消能方案优选实例研究

唐 迪1，刁美玲2，王婷婷2

(1.大连市供水有限公司,辽宁 大连 116000；2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江 哈尔滨 150090)

长距离输水管线一般距离长、落差大，如何能将沿线多余水头安全、稳定地消减掉，是供水安全的关键,也是这类工程容易遇到的难点，以某供水工程长管线水锤防护工程为例，针对超高落差供水工程中的减压消能问题进行分析研究，从技术经济角度分析应采用调流消能阀和减压阀并联减压消能方案，可以有效降低管道压力，满足水锤防护要求。

长距离输水；超高落差；分级减压；减压阀；调流消能阀；水锤

在一般情况下，我国长距离输水管线普遍距离长、起伏大，重力流长输管道通常都面临减压消能的问题，如何能将沿线富裕水头安全、稳定地消减掉，是保证管道运行安全的关键[1]。重力流不可控，重力流一旦发生水锤，水流无法立即失去动能，易造成极大的危害，严重威胁供水的安全性。重力流正压防护措施少，一般在管网中途设置调压井、调压塔等，在末端设置调压阀；问题在于如何组合水锤防护设备达到水锤防护的要求，本文根据工程实例进行说明。

1 水锤防护设备

结合我国某重力流超高落差供水工程实例，建立了重力流长距离输水管道水力模型，通过对不同减压方案在不同工况下进行模拟，优选出最佳的减压消能方案，达到水锤防护要求，保证供水的安全性。超高落差长距离输水管线水锤防护设备一般有减压阀、调流消能阀、空气阀等[1]。

1.1 减压阀

1.1.1 减压恒压阀

减压恒压阀的工作原理是当阀后压力超过预先整定的值时，在外力或水压力作用下，阀门过流面积减小，局部损失增大，阀后压力慢慢降低到设定值；当阀后压力低于整定值时，阀门过流面积增大，局部损失减小，阀后压力逐渐升高到设定值。其边界条件如下所示[2]。

H1=Z+ΔH

Q=(H1-CM)/B

(1)

H2=CP-BQ

1.1.2 定比式减压阀

定比减压原理是利用阀体中浮动活塞的水压比控制，进出口端减压比与进出口侧活塞面积比成反比。这种减压阀工作平稳、无振动；阀体内无弹簧，因此无弹簧锈蚀、金属疲劳失效之虑；密封性能良好不渗漏，因而既减动压又减静压，并且在减压的同时不影响水流量。

1.2 调流消能阀

活塞式调流原理即流量调节原理是主要通过阀门驱动装置，通过曲柄连杆机构，带动阀内一个类似于活塞状的圆柱体，在阀腔内作轴向运动，从而改变阀体出口的过流面积，来实现流量和压力的调节。流量调节的特性满足公式如下[3]:

(2)

式中：Δp为阀门前后压差，Pa；ρ为介质密度，kg/m3；KW为通流能力，m3/h。

2 减压消能方案优选

2.1 工程概况

本工程最大引水规模为110.0万m3/d，对应设计流量为12.74 m3/s，最小引水规模为8.64万m3/d，对应设计流量为1.0 m3/s。供水管道全长43.2 km，管道落差为656.0 m，四级减压，每级供水管道都由PCCP管和K9球墨铸铁管组成。

2.2 减压消能方案

本工程管道全长43.2 km，落差656.0 m，分级减压后各级管道末端静压均在150.0 m以上，在各级管线末端必须考虑减压消能措施。方案一是设计调流消能阀和减压阀并联，方案二是多组减压阀并联。

2.2.1 方案一(调流消能阀+减压阀)

该工程全年中有近一半时间流量均在2.0 m3/s以下(1月、2月、3月、11月、12月)，流量偏低；全年中仅有3个月时间管道满负荷运行(6月、7月、8月)，其余大部分时间管道流量都低于平均值。综上所述：本工程低流量运行时间较长(约为半年)，设置减压消能方案时需重点考虑小流量运行工况。根据上述流量及历时分析，建议每级稳压池前采用调流消能阀(大口径)和减压阀(小口径)并联减压消能。根据备用数量不同，分为两种方案，即方案A和方案B。

方案A：设置2个大口径调流消能阀和6个小口径减压阀，即2组调流消能阀和2组减压阀组。其中调流消能阀减压比应达到35∶1，减压阀串联后综合减压比达到35∶1,减压阀组形式为先串联2个定比式减压阀，后串联1个恒压式减压阀。由于恒压式减压阀阀后直通大气排放，需选用抗汽蚀阀门。调流消能阀口径可选择DN1000或DN900；减压阀口径可选择DN500。具体口径选取应由具体阀门厂家根据具体流量和减压比要求进行选型设计，且调流消能阀过流能力达到设计值12.74 m3/s。该方案调流消能阀组一用一备，减压阀组一用一备。

方案B：设置3个大口径调流消能阀和6个小口径减压阀，即3组调流消能阀和2组减压阀组。其中调流消能阀减压比应达到35∶1，减压阀串联后综合减压比达到35∶1，减压阀组形式为先串联2个定比式减压阀，后串联1个恒压式减压阀。由于恒压式减压阀阀后直通大气排放，需选用抗汽蚀阀门。调流消能阀口径可选择DN1000或DN900；减压阀口径可选择DN500。具体口径选取应由具体阀门厂家根据具体流量和减压比要求进行选型设计，且调流消能阀过流能力达到12.74 m3/s。该方案调流消能阀组两用一备，减压阀组一用一备。

建议当大流量运行时，可运行调流消能阀组；当低流量时可运行减压阀组。

2.2.2 方案二(多组减压阀组并联)

各级管线在各种工况下减压比均较大，仅设置1个普通减压阀难以实现高减压比，因此，为保证各级管线在各工况下供水安全，建议在各级管线稳压池前串联设置高减压比减压阀，串联时先串联多个定比式减压阀，最后串联1个恒压式减压阀；并且进行多组减压阀组(串联阀组)并联。具体减压比及减压阀数量满足各工况下减压比即可。

2.2.3 水锤防护计算结果

方案一(调流消能阀+减压阀)和方案二(多组减压阀组并联)，对各级管线进行多工况关阀水锤防护模拟，分析确定管线末端检修阀关阀时间为120 s。限于篇幅本文给出在工况1(最大流量)关阀水锤防护模拟1—4级管线计算结果，计算结果如图1、图2、图3、图4，可知满足水锤防护要求。

2.3 方案优选

方案一(调流消能阀和减压阀并联)可在大流量时运行调流消能阀组，在小流量时运行减压阀组，与方案二(多组减压阀组并联)相比较经济，且减压消能效果良好，能满足减压比要求和水锤防护要求，保证供水安全性。方案二(多组减压阀组并联)减压消能效果也不错，能满足减压比要求，保证供水安全性，但是多组减压阀组并联方案由于减压阀数量较多、控制复杂、管理不方便，因此不建议采用。优选确定了采用调流消能阀和减压阀方案，至于调流消能阀和减压阀方案中的A、B方案的选定，是要根据阀门厂家具体选型后再由技术经济比较综合确定。

图1 一级管线末端关阀水锤压力包络线

图2 二级管线末端关阀水锤压力包络线

图3 三级管线末端关阀水锤压力包络线

图4 四级管线末端关阀水锤压力包络线

3 结 论

对于超高落差长距离输水供水工程需进行多级减压消能，在各级管线末端考虑设置减压消能措施，安全稳定地将沿线多余水头消减掉，保证供水安全可靠。根据工程实际情况选用两个方案并进行比较分析，从技术经济角度分析得出采用方案一(调流消能阀和减压阀并联)减压消能方案，可以有效降低管道压力，节省造价，并且保证管道的安全运行，可供类似工程参考。

[1] 韩建军，张天天，陈立志，等.大落差重力输水工程关阀控制对水锤防护效果[J].水利天地，2015(2):4-6.

[2] 何刚，刁美玲，高金良，等.超高落差重力长输管道多级减压方案优选研究[J].供水技术,2012，6(6):51-53.

[3] 陈阳，杨旭，张士杰.消能调流阀在引黄入晋工程北干线大梁水库放水工程中的应用[J].水利水电工程设计,2014,33(1):53-55.

Study on energy dissipation scheme optimization of ultrahigh drop and long-distance water supply project

TANG Di1,DIAO Meiling2, WANG Tingting2

(1.DaLianWaterSupplylimitedcompany,Dalian116000,China；2.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering，HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China)

Long-distance water pipelines are universal long distance and great drop. So the key point and difficulty of water supply safety is how to cut down the water head along project line safely. Take long pipeline water hammer prevention project of water supply project for example, the problem of energy dissipation in ultrahigh drop water supply project is analyzed. Analyzing from the technology and economy aspects, parallel energy dissipation scheme with flow regulating dissipation valve and reducing valve should be adopted, which can effectively reduce pipeline pressure and meet water hammer protection requirements.

long-distance water transfer; ultrahigh drop; classification reduction; reducing valve; flow regulating dissipation valve;water hammer

中华人民共和国科学技术部 国家水体污染控制与治理科技重大专项(2014ZX07405002)；广东省科技厅 广东省教育部产学研结合项目(2011A090200040)

唐 迪(1981-)， 男， 工程师，从事水利工程管理工作，E-mail:qit0316@126.com

TU991.39

A

2096-0506(2015)06-0011-03