白鹿原水厂南线高压输水管道设计探讨

戴雪峰，张嘉炜，赵 荣

（中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

1 工程概况

白鹿原水厂南线输水管道为白鹿原水厂的出水管道之一，设计输水能力为12 万m3/d，管径为DN800 ～DN1000，采用K9 型球墨铸铁管，设计长度13.5km，包含3 座稳压站和1 座调压基站。采用重力流输水管道系统，管道竖向呈U 形布置，最大运行压力1.45MPa，最大静水压力2.0MPa。

2 系统设计

根据受水区域的地形分布特点，系统分为3 个压力分区，分别为高区520 ～470m，中区470 ～430m，低区430m 以下。水厂清水库最高水位为615m，管道所敷设区域最低点的地面高程405 ～410m。

项目供水分区较多，无供水量特别突出的主供水区，供水比较分散。各区地形高程变化较大，水厂与供水点之间高差大。系统设计时优先利用位置水头，全程为重力流供水。工程平面布置图如图1 所示。

图1 工程平面布置图

重力流管道与压力管道具有不同水力特征，其静水压大于动水压，小流量运行时压力反高于大流量运行时压力[1]。长距离输水管道系统设计时多采用减压水池或减压阀对管道进行分段或者分级，再利用调压塔或超压泄压阀进行突发高压保护[2-4]。

根据项目特点，通过对消力池、减压阀供水等方案的分析，适宜采用减压阀+稳压池配水方式，以降低输配水管道压力，减轻输水干管由于受配水管网用水的波动而产生高压水锤。可采用分级减压调节和分别减压调节（共用输水主管）两种方式。

分级减压调节即水厂出水直接供水至一号稳压站，各厂站串联布置，由一号稳压站进行稳压调节，保证管道系统平稳，而后进行逐级减压调节。一号、二号和三号稳压站分别向高区、中区和低区供水，如图2 所示。除水厂至一号稳压站段管道运行压力高外，其余段管道均为常压管道，该方式便于运行管理。

图2 南线系统水量分配

分别减压调节方案即共用一段输水主管供水后设置3 条支线，分别设置3 座厂站，其供水系统的水量调配复杂，供水末端是开放式水池，系统可视为“开放型”重力式供水系统。无论哪座稳压站出流，由于分流口处压力较高，若不加限制地进行开关阀门，实际出流量将远大于设计流量；同时将引起分流流量剧烈变化，对系统安全运行造成很大的隐患。此种系统布置若发生水锤其特点主要表现在关阀水锤，即在阀门关闭时会引起流量的变化，随之带来压力振荡波动。水锤主要来自阀门局部阻力与管线沿程阻力的变化，其引发的压力波动阀前最大；关阀后正向水锤随着阀门关闭而到来，没有延迟性，表现极快。

经上所述，分级减压调节运行管理的安全性和系统可靠性上较高，故本项目采用此种方式。

3 减压阀设置（基站）

水厂至一号稳压站段管道呈“U 形”覆设，管道最大运行压力1.45MPa，最大静水压力2.0MPa。超高的运行压力对供水安全影响巨大。同时水厂位置高程较一号稳压站高差65m，故需设置减压阀以降低系统压力。减压阀的设置位置对系统运行影响较大，一般有高点调节、低点调节和中点调节3 种。

高点调节，即将减压设施设置在管线系统较高位置，其标高高于一号稳压池水位。该方案调节位置最靠前，阀门调节过程中由于上游管段短，坡度相对小，因此不会造成较大的压力波动。但由于减压阀位置高于末端水池，系统静态下减压阀下游会存在空气段，对管线运行存在风险，如图3 所示。

低点调节即将减压设施设置在管线系统较低位置。该方案调节位置易选取，但是无限制关阀水锤较大，前后均需要严格保护；减压设施前表现为正常的关阀水锤，由于其前段坡度较陡，管线较长，关阀水锤明显，如图4 所示。

图3 高点调节减压阀无限制关阀时压力波动情况

图4 低点调节减压阀前无限制关阀设置保护设施压力波动

中点调节即将减压设施设置在标高低于一号稳压池水位10 ～20m。该方案调节位置选择较为困难，减压阀前不限制关阀水锤小，无需防护，如图5 所示。

图5 中点调节减压阀前无限制关阀压力波动

综合比较可以看出，采用中点调节方案可使后段最高工作压力由1.7MPa 降至1.45MPa 左右。减压阀采用电控型调流调压阀进行压力调节，设置调压基站1 座，与空气阀等其他设施一起可起到“防水锤关闭”以及“过流保护”等功能。

此外，由于管道竖向呈U 形覆设，且最低处管道运行压力及管道竖向坡度较大（下坡段平均坡度为10%，上坡段平均约5%），在关注关阀水锤影响的同时应加强对低洼处出现突然的断流工况进行分析[5]。

U 形覆设的管道低点处发生爆管，该点上游与“关阀水锤”的水力特征类似，而下游则类似于“停泵水锤”水力特征。其过程之中同时会出现沿程的负压工况，“水柱拉断”（管道负压较大）也会表现得十分明显，水锤破坏力较大，必须进行有效的保护，如图6 所示。

图6 低点爆管时无保护措施时水压波动情况

低点爆管时系统最大压力超出设计值约1.5 倍，系统设计时在局部最高点布置防水锤型空气阀；在低点设置电驱式压力波动预止阀予以保护，并配以反馈信号，达到报警和水锤防护；沿线设置了多个压力监测点。同时与中途减压设备联动控制。

采取上述措施后，通过流量调节水力分析，即使日常流量变化较大（非骤变工况）时，系统仍可在平稳的工况下正常运行，不会出现异常的压力波动，如图7 所示。

图7 低点爆管时有保护措施时水压波动情况

4 结语

针对白鹿原水厂南线输水管道系统供水特点，采用稳压池和中点减压调节系统方式可有效降低系统压力，预防水锤发生，减少水锤的破坏，管网系统运行4 年来状态良好。在类似管道设计中应重点关注以下问题：

（1）采用调流调压基站+稳压池配水方式对输水管道进行压力分级，减压、稳压效果明显，可有效降低了管网的压力，降低工程投资，比以往单独设置减压阀或稳压池在流量控制上更方便。

（2）通过比较分析3 种调流调压基站设置位置的水力过渡过程，推荐采用中点调节，可有效降低系统压力，使低点管段尽可能在低压下运行，同时可尽量减少因调节所带来的压力波动；中点调节同时具备“防水锤关闭”以及“过流保护”等功能。