多目标长距离输水管道系统调压设计探讨

□李 朋

长距离输水工程能够有效解决我国北方地区水资源匮乏问题，满足国民经济迅速发展和人民生活水平不断提高对水的需求。对于输水方式的选择，管道输水方式因对地质条件要求较低，施工方便，渗漏率小，造价较低等优点而被广泛应用。例如，南水北调中线配套输水工程多采用管道输水。

长距离输水管道工程一般包括多个供水目标，不同供水目标的水量、水压需求不同。因此，需要对输水管网各节点进行流量和压力调节与控制，以满足供水目标对水压的要求。

此文归纳总结了在长距离输水管道系统中常用的调压方案和措施，并分析了其适用情况。同时，以河北省南水北调配套工程某输水管线为工程背景，根据工程现状存在的调压问题，进行调压设计，采取相应的调压措施，使得输水管线工程满足运行要求。

1.水力计算基本公式

1.1 管道阻力损失

对于输水管线而言，管道阻力损失为：

式中：

Hi—管线沿程水头损失(m)；

hj—管线局部水头损失(m)。

1.2 管线沿程水头损失

沿程水头损失采用谢才公式：

式中：

L—管道长度(m)；

C—谢才系数；

n—糙率系数；

R—水力半径(m)；

Q—设计流量(m3/s)；

v—平均流速(m/s)。

1.3 局部水头损失计算

式中：

v—管道水流平均流速(m/s)；

ζ—局部水头损失系数。

局部水头损失系数依据水力计算手册、给排水手册等介绍的公式、图表计算或选用。

2.调压措施选择

在输水管道上游水位（水压）一定的情况下，调压设计就是通过改变输水管线的阻力损失，以使管线末端水位（水压）满足运行要求。根据水力计算公式可知，管道阻力损失分为沿程损失和局部损失。因此，可以通过增大或减小公式中的相关参数来改变管线的沿程或局部损失，进而达到管线调压的目的。

2.1 设置调压调流阀

调压调流阀有多喷孔和扇叶圈两种结构，水流经由各个喷孔或扇叶喷出，在管道内部相互碰撞，消耗大量能量，再通过调节活塞的开度，即可实现减压、调流的功能。图1 为调压调流阀工作原理示意图。它是通过改变管线局部损失以达到压力调节的目的。

调压调流阀是最常用的调压设施，具有实时调节，高效便捷，精确控制等优点。调压调流阀的缺点是造价较高，同时电动调流调压阀需要配套的电气设备。

2.2 调整管道糙率

根据水头损失计算公式，管材糙率对沿程水头损失影响较大。在设计输水管道工程时，若某一段管线水压较高，超过运行要求，在不增设其他设施的情况下，可通过选择较大糙率的管材，增大该段管线的沿程水头损失，降低管线末端水压。

该措施适用于工程设计阶段，管线运行工况较为稳定的情况，较易实现，工程造价低。但该措施不能实现实时调节。

2.3 增设旁通管

图1 调压调流阀工作原理示意图

图2 调压调流阀工作原理示意图

图3 旁通管平面布置图

表1 设计工况下水头损失及水位统计表

表2 主管线末端分水口水力计算成果表

表3 B 支线现状水力计算成果表

表4 增设旁通管后B 支线水力计算成果表

在工程投资有限制或不适于设置调压调流阀时，为达到可以在一定范围内实时调节压力的目的，可以在主管一侧增设旁通管，旁通管上设置阀门，水流经旁通管至下游。水流经过旁通管，改变了局部水头损失系数，同时通过调节阀门开度，对管线压力进行调节。

由于主管管径一般较大，在主管上调节压力精度较差，安全风险较大，因此，该方法不适宜直接调节主管线上的阀门。

该方法施工方便，造价较低，可以在一定范围内实时调节压力。考虑到管道运行安全，该方法一般只适用于特殊短暂工况。

3.工程案例

3.1 工程简介

河北省南水北调配套工程某输水管线由某干渠中引水，取水口设加压泵站。管线分为主管线，长16km，管径1.2m，管 材DIP。 A 支 管 线，长 度0.22km，管径0.5m，管材DIP，A 支管末端为M 水厂。B 支管线，长度27km，管径1.0m，管 材DIP，B 支 管 末 端 为N 水厂。为调节压力，在A 支管末端设有电动调压调流阀。 DIP 管材糙率取0.0122。输水管线供水系统示意图如图2 所示。

设计工况下，取水口水位11.52m，水泵设计扬程55.5m，M 水厂配水井水位23.30m，N 水厂配水井水位21.00m。主管线流量1.15m3/s，A 支管流量0.3m3/s，B 支管流量0.85m3/s。设计工况下水头损失及水位计算如表1 所示。根据计算结果可知，各支管末端水位满足水厂配水井水位要求。

3.2 工程现状存在问题

由于近期M 和N 水厂用水量偏少，A 支线和B 支线实际输水规模仅分别为0.15m3/s 和0.19m3/s，干线输水规模为0.34m3/s，且近期内持续维持此规模运行，由此造成A 支线与B 支线调压困难。

取水口泵站水泵为变频水泵，根据实际运行情况，小流量情况下水泵扬程可以调节至满足M 水厂供水。以A 支线管道末端水位作为初始条件，根据现状水力条件进行现状水力复核。具体计算过程为：以M 水厂配水井水位作为A 支线管道末端水位，A 支线调流阀全开(水头损失最小)，反推主干线末端分水口水位，并以该水位作为B 支线水力计算的起点边界条件复核B 支线末端水位。计算成果见表2、表3。

由表2、表3 可知，在满足M 水厂0.15m3/s 供水要求情况下，B 支线0.19m3/s 供水时，B 支线末端水位27.9m，较配水井水位富裕水头6.9m，对水厂配水井运行造成一定困难，需采取调压措施。

3.3 调压设计

由于近期小流量供水仅为临时短暂工况，增设电动调流阀造价较高，且需增加较多土建项目及配套设施，工程占地较大，工期较长。同时需设专门运行管理岗位，后期运行费用高。经综合比选，为满足近期短暂工况运行，选用在B 支线末端增设旁通管的措施进行调压设计。旁通管布置如图3 所示。

B 支线管道末端增设DN1000 蝶阀，管道小流量运行时，该蝶阀运行状态为全关；蝶阀右侧设旁通管，旁通管设蝶阀，小流量运行时水流经旁通管流至下游水厂。通过增设小管径旁通管同时调节旁通管蝶阀开度，增加水头损失，以满足N 水厂运行水位要求。

旁通管管径越小，消抵富裕水头作用越大，但管径过小使得管内流速过大，不利于运行安全，综合考虑上述因素，经水力试算，旁通管、蝶阀管径选用DN300，管内流速2.75m/s。经计算，当蝶阀维持开度53%时，可满足调节要求，水力计算成见表4。

4.结论与建议

在输水工程长期运行中，受供水目标消纳水量变化的影响，工程输水量是不断变化的。输水量的变化将导致水压变化，进而带来调压问题，在长距离输水工程中更为明显。因此，在长距离输水管道工程的设计阶段，应充分考虑工程运行后可能存在的各种运行工况，并提出相应的调压调流措施，保证工程正常运行。

管道系统调压措施包括设置调压调流阀，调整管道糙率，增设旁通管等。不同的调压措施优缺点各异，应用条件不同。管道调压设计应根据具体工况需求采取适宜的调压措施。

此文以河北省南水北调配套工程某输水管线为工程实例，根据工程现状存在的调压问题，进行调压设计。由于近期小流量供水仅为临时短暂工况，同时考虑到现有工程对增设调压调流阀多种限制因素，为消除小流量工况下管线末端较大富裕水头，依据水力复核计算结果，通过在管线末端增设旁通管，增大水头损失，满足配水井水位要求，使得输水管线系统在小流量供水工况下保持正常运行。

综上所述，在工程实践中，输水管道调压设计应综合考虑调压措施适用条件、调压精度以及工程重要性、经济因素等，通过优化比选，最终确定最优调压方案。□